了解了ReentrantLock和Semaphore实现原理，不难看出AQS担当着核心左右，AQS为独占锁和共享锁提供了基础框架能力，通过对AQS的封装，我们可以轻松实现线程状态管理。
AQS对象组成
对于AQS而言，其核心为state和先进先出的等待队列，其中state使用volatile修饰，保证其可见性和有序性，先进先出的等待队列使用双向链表实现，对于一个AQS对象而言，其组成如下图所示：
AQS同步等待队列
AQS中同步等待队列通过Node对象链表实现，一个完整的等待队列如下图所示：
上述中enq函数代码如下：
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) {
// 初始化head和tail，刚开始head，tail都指向这里的new Node
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
完整的AQS数据结构(同步队列+条件队列)
实现AQS(根据业务逻辑自定义锁)
为了便于开发者给予AQS实现一个自定义锁，AQS主要提供了5个函数供大家覆写，对于没被子类覆写的函数，在其调用时会抛出UnsupportedOperationException异常，如下所示：
| 函数名称 | 函数说明 | 默认实现 | 适用锁类型 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| tryAcquire | 尝试获取锁，主要进行锁状态标志state的操作，操作成功后更新state和当前持锁线程 | 抛出UnsupportedOperationException异常 | 独占锁 | / |
| tryRelease | 尝试释放锁，更新锁状态标志state并设置当前持锁线程为null | 抛出UnsupportedOperationException异常 | 独占锁 | / |
| tryAcquireShared | 共享模式下尝试获取锁 | 抛出UnsupportedOperationException异常 | 共享锁 | / |
| tryReleaseShared | 共享模式下尝试释放锁 | 抛出UnsupportedOperationException异常 | 共享锁 | / |
| isHeldExclusively | 判断锁是否被占用 | 抛出UnsupportedOperationException异常 | 独占锁/共享锁 | / |
下面我们来实现一个不可重入的独占锁(非公平)，代码如下：
import java.io.Serializable;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
public class Mutex implements Lock, Serializable {
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;
}
Condition newCondition() { return new ConditionObject(); }
}
private Sync sync = new Sync();
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1,unit.toNanos(time));
}
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
编写测试代码如下：
public static void main(String[] args) {
Mutex mutex = new Mutex();
ExecutorService testSynchronizedBlock = Executors.newCachedThreadPool();
testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 首次获取锁运行2s后再次获取锁，模拟线程重入操作
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter lock first");
mutex.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter lock");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter lock again");
mutex.lock();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" exit lock again");
mutex.unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" exit lock");
mutex.unlock();
}
});
testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter lock before");
mutex.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter lock");
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" exit lock");
mutex.unlock();
}
});
}
执行结果如下：
可以看到线程pool-1-thread-1和pool-1-thread-2均卡在mutex 锁处，且形成死锁，长期无返回，修改Mutex为ReentrantLock，可以看到代码正常运行，结果如下：
这也进一步验证了ReentrantLock可重入的特性。
AQS的常见实现
从前文可知，ReentrantLock和Semaphore都是基于AQS实现，那系统中还有哪些类依赖AQS实现呢？见下表：
| 类名 | 独占锁/共享锁 | 公平锁/非公平锁 | 可重入 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| ReentrantLock | 独占锁 | 都支持 | 是 | / |
| ReentrantReadWriteLock | 读锁是共享锁/写锁是独占锁(读写锁) | 都支持 | 是 | / |
| Semaphore | 共享锁 | 都支持 | 否 | / |
| CountDownLatch | 共享锁 | 公平锁 | 否 | / |
AQS,synchronized与volatile
AQS取其代表实现ReentrantLock，三者比较如下表所示：
| 名称 | 底层实现 | 独占锁/共享锁 | 公平锁/非公平锁 | 可重入 | 重量级锁/轻量级锁 | 多线程特性 | 是否是锁 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ReentrantLock | java层锁 | 都支持 | 都支持 | 是 | 重量级锁 | 原子性，有序性，可见性 | 是 |
| synchronized | monitorenter/monitoreexit指令（Lock） | 独占锁 | 非公平锁 | 是 | 锁升级，先轻量级锁，再重量级锁 | 原子性，可见性，有序性 | 是 |
| volatile | 内存屏障指令 | / | / | / | / | 可见性，有序性 | 否 |
