AQS内部实现：状态管理

# 1. AQS 概述

## 1.1 AQS 的概念
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中的一个基础类，用于实现依赖状态的同步器。它为我们提供了一种简单且可扩展的方式来实现独占锁和共享锁等线程同步机制。

## 1.2 AQS 的作用及在并发编程中的重要性
AQS的作用在于管理线程的访问和操作资源的原子性，通过内部状态的管理机制，实现了对并发访问的控制。在并发编程中，AQS扮演着非常重要的角色，它提供了一种高效且可扩展的同步机制，帮助我们解决多线程并发访问资源的问题。

## 1.3 AQS 的内部结构概览
AQS的内部结构由一个双向链表（队列）和一个int类型的状态变量组成。双向链表用于保存等待线程的节点，状态变量用于标记当前同步器的状态。

AQS内部结构概览示意图：

+------+  prev +-------+       +-------+ next  +------+
| head | <---- | Node  | <---- | Node  | <---- | tail |
+------+       +-------+       +-------+       +------+
|                                                |
+------------------------------------------------+

其中，head和tail分别表示链表的头节点和尾节点，prev和next表示链表中节点的前驱节点和后继节点。

在AQS的内部结构中，head节点表示同步器的标记节点，它不代表一个具体的线程，而是起到一个标记的作用。tail节点则表示队列中最后一个等待资源的线程，通过tail节点，我们可以快速定位到最后一个节点，以便进行入队操作。

通过对AQS内部结构的管理，我们可以有效地实现线程的挂起、唤醒和并发访问控制等功能。

# 2. AQS 内部实现原理

在并发编程中，状态管理是一个非常关键的领域。AQS（AbstractQueuedSynchronizer）作为Java并发包中的核心组件，其内部实现原理对于状态管理有着重要的作用。本章将深入探讨AQS内部实现原理，包括AQS中的状态管理概述、状态管理的实现原理以及状态变更的机制。通过本章的学习，读者将对AQS内部状态管理有更深入的理解。

### 2.1 AQS 中的状态管理概述

AQS中的状态管理是指对共享资源的状态进行管理和控制。AQS通过内部的状态变量来表示同步器的状态，控制对共享资源的访问。AQS允许同步器以独占模式或共享模式管理状态，并提供了相应的方法供子类进行状态管理。

### 2.2 AQS 中状态管理的实现原理

在AQS内部，通过一个原子操作CAS（CompareAndSwap）来对同步器的状态进行修改。通过CAS，AQS可以保证对状态的原子更新，避免并发环境下的竞争条件。

以下是基于Java的AQS源码示例：

// AQS中的状态变更
protected boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // 使用CAS操作进行状态的原子更新
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

在上述示例中，`compareAndSetState`方法使用了`unsafe`类的`compareAndSwapInt`方法来实现状态值的原子更新，保证了在并发环境下状态的一致性。

### 2.3 AQS 中状态变更的机制

AQS中状态的变更是通过内部的同步队列和信号量实现的。当某个线程需要获取同步器的锁时，如果同步器已经被其他线程占用，则该线程会进入同步队列中等待。当锁的释放操作发生时，AQS会通过队列的机制唤醒相应的等待线程，使其能够继续尝试获取锁。

在AQS中，状态的变更是通过内部的状态变量和同步队列实现的，确保了状态的正确变更和并发环境下的线程安全性。通过这种机制，AQS能够很好地支持各种同步器的实现，如ReentrantLock、Semaphore等，为并发编程提供了强大的支持。

经过本节的学习，读者对AQS中状态管理的概念、实现原理以及状态变更的机制有了更深入的理解。在接下来的章节中，我们将学习状态管理在不同锁实现中的应用，深入探讨AQS内部状态管理的具体实践。

# 3. 状态管理在锁实现中的应用

在并发编程中，锁是一种常见的同步机制，用于保护共享资源的访问。AQS（AbstractQueuedSynchronizer）作为Java中锁的基础框架，其内部实现了状态管理，为锁的实现提供了支持。

#### 3.1 独占锁的状态管理

独占锁（Exclusive Lock）是一种在同一时间只允许一个线程持有的锁。在AQS中，独占锁的状态管理通过对内部的状态变量进行操作来实现。

独占锁的状态变量通常表示为0或1，0表示锁未被持有，1表示锁已被持有。当一个线程请求获取独占锁时，会判断当前的状态变量，如果为0，则将状态变量设置为1，表示锁已被持有，并让当前线程获取到锁；如果为1，则将当前线程加入到等待队列中，等待其他线程释放锁。

以下是一个简单的独占锁的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

class ExclusiveLock {
    private final Sync sync = new Sync();

    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            if (getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }
    }
}

在上述代码中，状态变量使用AQS的`getState()`和`setState()`方法进行设置和获取。`tryAcquire()`方法在获取独占锁时尝试将状态变量从0设置为1，并使用`setExclusiveOwnerThread()`方法记录当前拥有锁的线程；`tryRelease()`方法在释放独占锁时将状态变量设置为0，并清空拥有锁的线程；`isHeldExclusively()`方法用于判断当前线程是否持有锁。

#### 3.2 共享锁的状态管理

共享锁（Shared Lock）是一种在同一时间允许多个线程共同持有的锁。AQS中的共享锁状态管理也是通过对状态变量的操作来实现。

共享锁的状态变量通常表示为一个正整数，表示当前持有锁的线程数量。当一个线程请求获取共享锁时，会判断当前的状态变量，如果大于0，则将状态变量递减，并允许当前线程获取到锁；如果为0，则将当前线程加入到等待队列中，等待其他线程释放锁。

以下是一个简单的共享锁的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

class SharedLock {
    private final Sync sync = new Sync();

    public void lock() {
        s