AQS 原理

1. 前言

本節(jié)內(nèi)容主要是對 AQS 原理的講解，之所以需要了解 AQS 原理，是因?yàn)楹罄m(xù)講解的 ReentrantLock 是基于 AQS 原理的。本節(jié)內(nèi)容相較于其他小節(jié)難度上會大一些，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)習(xí)者可以選擇性學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容或者跳過本節(jié)內(nèi)容。

• 了解什么是 AQS，這是認(rèn)識 AQS 原理的前提，是本節(jié)的基礎(chǔ)知識點(diǎn)；
• 了解 AQS 提供的兩種鎖功能，對其有一個全局的了解；
• 了解 AQS 的內(nèi)部框架原理結(jié)構(gòu)，這是本節(jié)課程的核心所在，其他所有的知識點(diǎn)講解都是圍繞這一知識點(diǎn)的；
• 釋放鎖以及添加線程對于 AQS 內(nèi)部的變化，這是本節(jié)課程的重點(diǎn)知識，了解隊(duì)列的學(xué)習(xí)者能夠更快的掌握這部分知識；
• AQS 與 ReentrantLock 的聯(lián)系，這是本節(jié)課程與 ReentrantLock 之間的過度知識。

2. 什么是 AQS

定義：AbstarctQueuedSynchronizer 簡稱 AQS，是一個用于構(gòu)建鎖和同步容器的框架。

事實(shí)上 concurrent 包內(nèi)許多類都是基于 AQS 構(gòu)建的，例如 ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，F(xiàn)utureTask 等。AQS 解決了在實(shí)現(xiàn)同步容器時大量的細(xì)節(jié)問題。

AQS 使用一個 FIFO 隊(duì)列表示排隊(duì)等待鎖的線程，隊(duì)列頭結(jié)點(diǎn)稱作 “哨兵節(jié)點(diǎn)” 或者 “啞結(jié)點(diǎn)”，它不與任何線程關(guān)聯(lián)。其他的節(jié)點(diǎn)與等待線程關(guān)聯(lián)，每個階段維護(hù)一個等待狀態(tài) waitStatus。

3. AQS 提供的兩種功能

從使用層面來說，AQS 的鎖功能分為兩種：獨(dú)占鎖和共享鎖。

獨(dú)占鎖：每次只能有一個線程持有鎖，比如前面給大家演示的 ReentrantLock 就是以獨(dú)占方式實(shí)現(xiàn)的互斥鎖；
共享鎖：允許多個線程同時獲取鎖，并發(fā)訪問共享資源，比如 ReentrantReadWriteLock。

4. AQS 的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

AQS 的實(shí)現(xiàn)依賴內(nèi)部的同步隊(duì)列，也就是 FIFO 的雙向隊(duì)列，如果當(dāng)前線程競爭鎖失敗，那么 AQS 會把當(dāng)前線程以及等待狀態(tài)信息構(gòu)造成一個 Node 加入到同步隊(duì)列中，同時再阻塞該線程。當(dāng)獲取鎖的線程釋放鎖以后，會從隊(duì)列中喚醒一個阻塞的節(jié)點(diǎn) (線程)。

如下圖所示，一個節(jié)點(diǎn)表示一個線程，它保存著線程的引用（thread）、狀態(tài)（waitStatus）、前驅(qū)節(jié)點(diǎn)（prev）、后繼節(jié)點(diǎn)（next），其實(shí)就是個雙端雙向鏈表，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

Tips：AQS 隊(duì)列內(nèi)部維護(hù)的是一個 FIFO 的雙向鏈表，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有兩個指針，分別指向直接的后繼節(jié)點(diǎn)和直接前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。所以雙向鏈表可以從任意一個節(jié)點(diǎn)開始，很方便的訪問前驅(qū)和后繼。每個 Node 其實(shí)是由線程封裝，當(dāng)線程爭搶鎖失敗后會封裝成 Node 加入到 ASQ 隊(duì)列中去。

5. 添加線程對于 AQS 隊(duì)列的變化

當(dāng)出現(xiàn)鎖競爭以及釋放鎖的時候，AQS 同步隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)會發(fā)生變化，首先看一下添加線程的場景。

這里會涉及到兩個變化：

• 隊(duì)列操作的變化：新的線程封裝成 Node 節(jié)點(diǎn)追加到同步隊(duì)列中，設(shè)置 prev 節(jié)點(diǎn)以及修改當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前置節(jié)點(diǎn)的 next 節(jié)點(diǎn)指向自己；
• tail 指向變化：通過同步器將 tail 重新指向新的尾部節(jié)點(diǎn)。

6. 釋放鎖移除節(jié)點(diǎn)對于 AQS 隊(duì)列的變化

第一個 head 節(jié)點(diǎn)表示獲取鎖成功的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)頭結(jié)點(diǎn)在釋放同步狀態(tài)時，會喚醒后繼節(jié)點(diǎn)，如果后繼節(jié)點(diǎn)獲得鎖成功，會把自己設(shè)置為頭結(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的變化過程如下：

這個過程也是涉及到兩個變化：

head 節(jié)點(diǎn)指向：修改 head 節(jié)點(diǎn)指向下一個獲得鎖的節(jié)點(diǎn)；
新的獲得鎖的節(jié)點(diǎn)：如圖所示，第二個節(jié)點(diǎn)被 head 指向了，此時將 prev 的指針指向 null，因?yàn)樗约罕旧砭褪堑谝粋€首節(jié)點(diǎn)，所以 pre 指向 null。

7. AQS 與 ReentrantLock 的聯(lián)系

ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)：ReentrantLock 是根據(jù) AQS 實(shí)現(xiàn)的獨(dú)占鎖，提供了兩個構(gòu)造方法如下：

 public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

ReentrantLock 有三個內(nèi)部類：Sync，NonfairSync，F(xiàn)airSync，繼承關(guān)系如下：

總結(jié)：我們可以看到，這三個內(nèi)部類都是基于 AQS 進(jìn)行的實(shí)現(xiàn)，由此可見，ReentrantLock 是基于 AQS 進(jìn)行的實(shí)現(xiàn)。

ReentrantLock 提供兩種類型的鎖：公平鎖，非公平鎖。分別對應(yīng) FairSync，NonfairSync。默認(rèn)實(shí)現(xiàn)是 NonFairSync。

8. 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容為 AQS 原理進(jìn)行講解，會涉及到一些原理問題，隊(duì)列問題，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)習(xí)者可以跳過或者選看本節(jié)內(nèi)容，不會影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。本節(jié)內(nèi)容其實(shí)主要為了提供原理性的知識，對本節(jié)的知識掌握，使我們不僅僅是一個使用者。