AQS源码解析之AbstractQueuedSynchronizer类

# 1. AQS简介

### 1.1 AQS的作用和特点

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包中一个重要的基础类，用于实现同步器的底层机制。AQS提供了一种可重入的互斥锁和其他同步组件的实现方式。

AQS的主要特点包括：
- 状态管理：AQS内部维护了一个32位的int类型状态变量，用于表示同步组件的状态。
- 线程排队：AQS通过内部的双向队列，管理竞争同步组件的线程，实现公平和非公平的线程调度机制。
- 按需阻塞和唤醒：AQS提供了条件变量（Condition）的支持，使得线程可以安全地等待和被唤醒。

### 1.2 AQS的基本原理

AQS基于一种称为"AbstractQueuedSynchronizer"的同步队列数据结构实现了同步器的基本功能。AQS内部维护了一个FIFO的双向队列，用于存放等待锁的线程。当线程请求锁时，如果锁已经被占用，将当前线程包装成一个节点加入到同步队列中，并进入阻塞状态。当持有锁的线程释放锁时，AQS会从同步队列中唤醒一个或多个等待的线程。

AQS利用了Java中的内置的synchronized关键字和Lock接口，通过实现tryAcquire和tryRelease等关键方法，来实现对同步状态的获取和释放。

### 1.3 AQS的应用场景

AQS在Java并发框架的实现中发挥了重要作用，常见的应用场景包括：
- 独占锁：通过AQS可实现可重入锁（ReentrantLock）和读写锁（ReentrantReadWriteLock）等。
- 同步工具类：通过AQS的扩展机制，可以实现信号量（Semaphore）、倒计时门闩（CountDownLatch）等。
- 并发框架：线程池Executor、FutureTask等并发工具类中都依赖于AQS提供的同步机制。

以上是AQS简介章节的内容，后续章节将深入探讨AQS的内部结构、核心方法、扩展机制以及在并发框架中的应用。

# 2. AQS的基本结构

#### 2.1 AQS的内部数据结构

在AQS的内部，主要包括了以下几个关键的数据结构：

// Node节点，用于构建CLH队列
static final class Node {
    // 表示共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 表示独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    // 表示线程取消竞争
    static final int CANCELLED =  1;
    // 表示后继节点需要唤醒
    static final int SIGNAL    = -1;
    // 表示当前节点在等待条件队列中
    static final int CONDITION = -2;
    // 表示下一次共享模式设置会传播下去
    static final int PROPAGATE = -3;
    // 用来标识节点的状态，可取值为上面的五个常量之一
    volatile int waitStatus;
    // 上一个节点
    volatile Node prev;
    // 下一个节点
    volatile Node next;
    // 节点对应的线程
    volatile Thread thread;
    // 记录在共享模式下，共享状态等待线程数
    Node nextWaiter;
}

#### 2.2 AQS的状态管理

AQS的状态通过`getState`和`setState`方法来管理，我们可以通过这两个方法来实现对共享资源的状态管理，例如在ReentrantLock中，就是通过AQS的`getState`和`setState`来控制锁的状态。

// 获取状态
protected final int getState() {
    return state;
}
// 设置状态
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

#### 2.3 AQS的线程排队机制

AQS的线程排队机制主要通过双向队列来实现，通过对节点的`prev`和`next`进行操作，实现了一个基于CLH（Craig, Landin, and Hagersten）的双向队列。当线程失败获取同步状态时，AQS会将该线程以节点的形式加入到同步队列中，然后在自旋中不断尝试获取同步状态，当同步状态释放时，AQS会通过唤醒操作将队列中的线程唤醒来竞争同步状态。

以上是AQS的基本结构及其相关内容，下一节将详细解析AQS的核心方法。

# 3. AQS的核心方法解析

在前面的章节中，我们已经介绍了AQS的基本结构和内部数据结构，本章将重点解析AQS的核心方法。这些方法是AQS实现同步和互斥的关键所在，理解这些方法的实现原理对于深入理解AQS类的工作原理非常重要。

#### 3.1 acquire和release方法的原理

AQS类中的`acquire`和`release`方法是实现同步和互斥的基础操作。其中，`acquire`方法负责获取资源或者加入等待队列，而`release`方法则负责释放资源或者唤醒等待线程。下面我们将分别对这两个方法进行详细解析。

##### 3.1.1 acquire方法的原理

`acquire`方法用于获取资源，并根据具体的实现情况决定线程是否需要进入等待状态。其基本原理如下：

1. 首先，调用`tryAcquire`方法尝试获取资源。如果获取成功，则直接返回；
2. 如果获取失败，说明资源已被占用，将当前线程加入等待队列中，并使线程进入等待状态；
3. 当资源释放时，其他线程将尝试获取资源并唤醒等待队列中的线程，使其重新尝试获取资源；
4. 当前线程被唤醒后，重新尝试获取资源，直到成功获取为止。

在具体的场景中，`acquire`方法可以根据需求进行不同的实现方式，例如公平性和非公平性的区别，或者根据条件进行等待/不等待的判断。

##### 3.1.2 release方法的原理

`release`方法用于释放资源，并唤醒等待队列中的线程。其基本原理如下：

1. 首先，调用`tryRelease`方法释放资源。如果释放成功，则继续执行；如果失败，则抛出异常；
2. 释放资源后，AQS会尝试唤醒等待队列中的线程。具体的唤醒方式可以根据需求进行实现，如公平性或条件判断等。

`release`方法的实现也可以根据具体的场景进行扩展，例如可重入锁的情况下需要考虑持有资源的数量等。

#### 3.2 tryAcquire和tryRelease方法的实现

`tryAcquire`和`tryRelease`方法是AQS类中真正实现同步和互斥的关键方法，通过重写这两个方法可以实现特定的同步机制。其中，`tryAcquire`方法用于尝试获取资源，如果成功则返回true；`tryRelease`方法用于尝试释放资源，如果成功则返回true。

在实现`tryAcquire`和`tryRelease`方法时，需要考虑以下几个关键点：

1. 获取和释放资源的原子性：需要保证对资源的操作是原子性的，避免出现竞争条件；
2. 竞争资源的公平性：可以通过使用队列等待机制来保证资源的公平分配；
3. 同步状态的更新：在成功获取或释放资源后，需要正确更新同步状态。

根据具体的场景和需求，可以灵活地实现`tryAcquire`和`tryRelease`方法，达到特定的同步效果。

#### 3.3 getState、setState和compareAndSetState方法的作用

AQS类中的`getState`、`setState`和`compareAndSetState`方法用于管理AQS的同步状态。其中，`getState`方法用于获取当前同步状态；`setState`方法用于设置新的同步状态；`compareAndSetState`方法用于比较并更新同步状态。

这些方法是AQS实现同步和互斥的基础操作，通过操作同步状态，可以控制线程的行为。对于`compareAndSetState`方法，常用于实现自旋锁和CAS操作。

以上是第三章的内容，我们详细讲解了AQS的核心方法，包括acquire和release方法的原理、tryAcquire和tryRelease方法的实现，以及getState、setState和compareAndSetState方法的作用。在理解了这些核心方法的基础上，我们将进一步探讨AQS的扩展机制和在并发框架中的应用。

# 4. AQS的扩展机制

AQS作为Java中并发编程的基础框架，除了提供基本的同步原语外，还支持了多种扩展机制，如Condition对象、CountDownLatch、Semaphore、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等，在本章节中，我们将深入探讨AQS的扩展机制及其应用实例。

#### 4.1 Condition对象的实现原理

Condition对象是AQS的一个重要扩展，它允许线程在等待某个特定条件成立时进行等待，以及在特定条件满足时进行通知，其内部实现依赖于等待队列和同步状态的管理。下面我们通过一个简单的示例来演示Condition对象的基本用法：

i