AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是一个用来构建锁和同步器的框架,比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系)。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。

AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

核心思想

AQS内部有一个volatile变量state，并且提供了compareAndSetState方法，可以线程安全的修改state的值，不同的需求场景下，state会有不同的意义，粗俗一点说，就是游戏规则我们自己根据需求来定义，只要大家都遵守这个规则，这个游戏就能够玩起来。
当竞争锁失败后，其实可以理解为CAS更新state失败，当前线程会被封装进一个Node对象，然后放入一个Node双向队列中，然后调用LockSupport.park，让线程等待。
当锁被释放后，AQS会检查队列中是否有线程在等待，如果有，unpark唤醒该线程，并从等待队列中删除对应的Node（将该node设为头结点）。

AQS的实现思路还是很清晰的，使用一个state来维护竞争状态，使用CAS来安全的更新state，获取锁失败的线程进入等待队列unpark，锁被释放后，从队列中唤醒一个线程来继续尝试获取锁

同步器与锁

同步器是实现锁的关键，利用同步器将锁的语义实现，然后在锁的实现中聚合同步器。可以这样理解：锁的API是面向使用者的，它定义了与锁交互的公共行为，而每个锁需要完成特定的操作也是透过这些行为来完成的（比如：可以允许两个线程进行加锁，排除两个以上的线程），但是实现是依托给同步器来完成；同步器面向的是线程访问和资源控制，它定义了线程对资源是否能够获取以及线程的排队等操作。锁和同步器很好的隔离了二者所需要关注的领域，严格意义上讲，同步器可以适用于除了锁以外的其他同步设施上(包括锁)。

同步器的开始提到了其实现依赖于一个FIFO队列，那么队列中的元素Node就是保存着线程引用和线程状态的容器，每个线程对同步器的访问，都可以看做是队列中的一个节点。Node的主要包含以下成员变量：

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Node {
    int waitStatus;
    Node prev;
    Node next;
    Node nextWaiter;
    Thread thread;
}

以上五个成员变量主要负责保存该节点的线程引用，同步等待队列(sync队列)的前驱和后继节点，同时也包括了同步状态。

属性名称	描述
`int waitStatus`	表示节点的状态。其中包含的状态有： 1. `CANCELLED`，值为`1`，表示当前的线程被取消； 2. `SIGNAL`，值为`-1`，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是`unpark`； 3. `CONDITION`，值为`-2`，表示当前节点在等待`condition`，也就是在`condition`队列中； 4. `PROPAGATE`，值为`-3`，表示当前场景下后续的`acquireShared`能够得以执行； 5. 值为`0`，表示当前节点在`sync`队列中，等待着获取锁。
`Node prev`	前驱节点，比如当前节点被取消，那就需要前驱节点和后继节点来完成连接。
`Node next`	后继节点。
`Node nextWaiter`	存储`condition`队列中的后继节点。
`Thread thread`	入队列时的当前线程。

节点成为sync队列和condition队列构建的基础，在同步器中就包含了sync队列。同步器拥有三个成员变量：sync队列的头结点head、sync队列的尾节点tail和状态state。对于锁的获取，请求形成节点，将其挂载在尾部，而锁资源的转移(释放再获取)是从头部开始向后进行。对于同步器维护的状态state，多个线程对其的获取将会产生一个链式的结构。

API说明

实现自定义同步器时，需要使用同步器提供的getState()、setState()和compareAndSetState()方法来操纵状态的变迁。

方法名称	描述
`protected boolean tryAcquire(int arg)`	独占方式。尝试获取资源，成功则返回`true`，失败则返回`false`。
`protected boolean tryRelease(int arg)`	独占方式。尝试释放资源，成功则返回`true`，失败则返回`false`。
`protected int tryAcquireShared(int arg)`	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。
`protected boolean tryReleaseShared(int arg)`	共享方式。尝试释放资源，成功则返回`true`，失败则返回`false`。
`protected boolean isHeldExclusively()`	该线程是否正在独占资源。只有用到`condition`才需要去实现它。

实现这些方法必须是非阻塞而且是线程安全的，推荐使用该同步器的父类java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer来设置当前的线程。

总结

AQS核心是通过一个共享变量来同步状态，变量的状态由子类去维护，而AQS框架做的是：

线程阻塞队列的维护
线程阻塞和唤醒

共享变量的修改都是通过Unsafe类提供的CAS操作完成的。

AbstractQueuedSynchronizer类的主要方法是acquire和release，典型的模板方法，下面这4个方法由子类去实现：

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protected boolean tryAcquire(int arg)
protected boolean tryRelease(int arg)
protected int tryAcquireShared(int arg)
protected boolean tryReleaseShared(int arg)

acquire方法用来获取锁，返回true说明线程获取成功继续执行，一旦返回false则线程加入到等待队列中，等待被唤醒，release方法用来释放锁。一般来说实现的时候这两个方法被封装为lock和unlock方法。

共享变量

private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性

状态信息通过procted类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {  
        return state;
}
 // 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) { 
        state = newState;
}
//原子地(CAS操作)将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect(期望值)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

AQS 对资源的共享方式

AQS定义两种资源共享方式

Exclusive(独占)：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：
- 公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
- 非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的
Share(共享)：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于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)，AQS已经在上层已经帮我们实现好了。

使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。(这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放) 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，模板方法模式请参看：设计模式行为型 - 模板方法(Template Method)详解

AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法：

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，成功则返回true，失败则返回false

默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。

以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加)，这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。