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1 AQS 简介

AQS 是AbstractQueuedSynchronizer的简称，即抽象队列同步器，从字面意思上理解:

• 抽象：抽象类，只实现一些主要逻辑，有些方法由子类实现；
• 队列：使用先进先出（FIFO）队列存储数据；
• 同步：实现了同步的功能。

那 AQS 有什么用呢？AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的同步器，比如我们提到的 ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask 等等皆是基于 AQS 的。

当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器，只要子类实现它的几个protected方法就可以了，在下文会有详细的介绍。

2 AQS 的数据结构

AQS 内部使用了一个 volatile 的变量 state 来作为资源的标识。同时定义了几个获取和改变 state 的 protected 方法，子类可以覆盖这些方法来实现自己的逻辑：

getState()
setState()
compareAndSetState()


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这三种叫做均是原子操作，其中 compareAndSetState 的实现依赖于 Unsafe 的 compareAndSwapInt() 方法。

而 AQS 类本身实现的是一些排队和阻塞的机制，比如具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队 / 唤醒出队等）。它内部使用了一个先进先出（FIFO）的双端队列，并使用了两个指针 head 和 tail 用于标识队列的头部和尾部。其数据结构如图：

但它并不是直接储存线程，而是储存拥有线程的 Node 节点。

3 资源共享模式

资源有两种共享模式，或者说两种同步方式：

• 独占模式（Exclusive）：资源是独占的，一次只能一个线程获取。如 ReentrantLock。
• 共享模式（Share）：同时可以被多个线程获取，具体的资源个数可以通过参数指定。如 Semaphore/CountDownLatch。

一般情况下，子类只需要根据需求实现其中一种模式，当然也有同时实现两种模式的同步类，如ReadWriteLock。

AQS 中关于这两种资源共享模式的定义源码（均在内部类 Node 中）。我们来看看 Node 的结构：

static final class Node {
    
    static final Node SHARED = new Node();
    static final Node EXCLUSIVE = null; 

    
    static final int CANCELLED = 1; 
    static final int SIGNAL = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;
    
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev; 
    volatile Node next; 
    volatile Thread thread; 
    Node nextWaiter; 
    
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {     
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
}

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
}

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注意：通过 Node 我们可以实现两个队列，一是通过 prev 和 next 实现 CLH 队列 (线程同步队列, 双向队列)，二是 nextWaiter 实现 Condition 条件上的等待线程队列 (单向队列)，这个 Condition 主要用在 ReentrantLock 类中。

4 AQS 的主要方法源码解析

AQS 的设计是基于模板方法模式的，它有一些方法必须要子类去实现的，它们主要有：

• isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到 condition 才需要去实现它。

• tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回 true，失败则返回 false。

• tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回 true，失败则返回 false。

• tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0 表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。

• tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回 true，否则返回 false。

这些方法虽然都是protected方法，但是它们并没有在 AQS 具体实现，而是直接抛出异常（这里不使用抽象方法的目的是：避免强迫子类中把所有的抽象方法都实现一遍，减少无用功，这样子类只需要实现自己关心的抽象方法即可，比如 Semaphore 只需要实现 tryAcquire 方法而不用实现其余不需要用到的模版方法）：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}


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而 AQS 实现了一系列主要的逻辑。下面我们从源码来分析一下获取和释放资源的主要逻辑：

4.1 获取资源

获取资源的入口是 acquire(int arg) 方法。arg 是要获取的资源的个数，在独占模式下始终为 1。我们先来看看这个方法的逻辑：

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}


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首先调用 tryAcquire(arg) 尝试去获取资源。前面提到了这个方法是在子类具体实现的。

如果获取资源失败，就通过 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 方法把这个线程插入到等待队列中。其中传入的参数代表要插入的 Node 是独占式的。这个方法的具体实现：

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}


private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { 
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}


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上面的两个函数比较好理解，就是在队列的尾部插入新的 Node 节点，但是需要注意的是由于 AQS 中会存在多个线程同时争夺资源的情况，因此肯定会出现多个线程同时插入节点的操作，在这里是通过 CAS 自旋的方式保证了操作的线程安全性。

OK，现在回到最开始的 aquire(int arg) 方法。现在通过 addWaiter 方法，已经把一个 Node 放到等待队列尾部了。而处于等待队列的结点是从头结点一个一个去获取资源的。具体的实现我们来看看 acquireQueued 方法

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                
                
                setHead(node); 
                p.next = null; 
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}


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这里 parkAndCheckInterrupt 方法内部使用到了 LockSupport.park(this)，顺便简单介绍一下 park。

LockSupport 类是 Java 6 引入的一个类，提供了基本的线程同步原语。LockSupport 实际上是调用了 Unsafe 类里的函数，归结到 Unsafe 里，只有两个函数：

• park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞当前线程
• unpark(Thread jthread)：使给定的线程停止阻塞

所以结点进入等待队列后，是调用 park 使它进入阻塞状态的。只有头结点的线程是处于活跃状态的。

当然，获取资源的方法除了 acquire 外，还有以下三个：

• acquireInterruptibly：申请可中断的资源（独占模式）
• acquireShared：申请共享模式的资源
• acquireSharedInterruptibly：申请可中断的资源（共享模式）

可中断的意思是，在线程中断时可能会抛出InterruptedException

总结起来的一个流程图：

4.2 释放资源

释放资源相比于获取资源来说，会简单许多。在 AQS 中只有一小段实现。源码：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

private void unparkSuccessor(Node node) {
    
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    
    Node s = node.next;
    
    
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}


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