从AQS源码解读Java并发编程的底层机制

1. AQS简介

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中并发包中最重要的同步组件之一，也是ReentrantLock和Semaphore等锁的核心。AQS提供了一种基于FIFO队列的排他锁和共享锁机制，同时还提供了一些方法，允许子类实现非常灵活的同步控制。

AQS中的同步控制基于以下两种操作：

acquire：获取同步状态。该操作会阻塞线程直到同步状态可用，或者线程被中断或超时。AQS通过一个双向链表来维护阻塞线程队列。
release：释放同步状态。该操作通常由持有同步状态的线程来执行，并且通常会唤醒队列中的一个或多个等待线程。

2. AQS原理

AQS的原理非常简单：它维护了一个volatile类型的int变量state来表示同步状态，同时使用一个FIFO队列来维护等待获取同步状态的线程。具体来说，AQS中的同步状态可以分为两种：独占和共享。

独占状态：在任意时刻只能由一个线程持有的同步状态，例如ReentrantLock。AQS通过设置state的值来表示独占状态，如果state的值为0表示当前没有线程持有独占锁，否则表示有一个线程持有独占锁。
共享状态：在同一时刻可以由多个线程同时持有的同步状态，例如Semaphore。AQS通过设置state的高16位来表示共享状态的数量，如果state的高16位为0表示当前没有线程持有共享锁，否则表示有多个线程持有共享锁。

AQS的核心是一个双向队列，该队列保存了所有等待获取同步状态的线程。当线程调用acquire方法时，如果同步状态不可用，则当前线程会被加入到等待队列中，然后线程会被阻塞直到同步状态可用。当同步状态可用时，AQS会从等待队列中唤醒一个线程，并将同步状态分配给该线程。

当一个线程获取了同步状态后，如果该线程需要阻塞，那么它会自动释放同步状态并将自己加入到等待队列的尾部。这样可以保证等待时间最长的线程最先获取到同步状态。

3. AQS源码解读

AQS的源码比较复杂，其中最核心的部分是同步队列的实现。下面我们将详细介绍AQS的源码。

3.1 AQS的状态管理

AQS的同步状态由一个volatile类型的int变量state来表示。在AQS中，state的值被分为两个部分，高16位表示共享状态的数量，低16位表示独占状态的值。因此，在AQS中，独占状态的值必须小于2^16，共享状态的数量必须小于2^16。

// state变量
private volatile int state;

3.2 AQS的同步队列

AQS使用一个FIFO双向链表来维护等待获取同步状态的线程。在AQS中，同步队列的实现是一项非常重要的工作。下面我们将详细介绍AQS同步队列的实现原理。

3.2.1 Node节点

在AQS中，每个等待获取同步状态的线程都被封装成一个Node节点。Node节点是一个双向链表节点，它有以下两个重要的属性：

prev：指向前一个节点。
next：指向后一个节点。

static final class Node {
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
    Node nextWaiter;
    int waitStatus;
}

除了prev和next属性之外，Node节点还包括其他一些属性，例如：

thread：表示等待获取同步状态的线程。
waitStatus：表示节点的状态，可以为以下四种状态之一：
- CANCELLED：表示节点被取消。
- SIGNAL：表示节点所在的线程被唤醒。
- CONDITION：表示节点在条件队列中。
- PROPAGATE：表示ReleaseShared方法需要传播释放的信号。

3.2.2 同步队列的基本操作

AQS中同步队列的基本操作包括入队、出队、插入节点和删除节点。下面我们将逐个介绍这些操作。

3.2.2.1 入队操作

当一个线程需要获取同步状态但同步状态不可用时，它会被加入到等待队列中。入队操作会将当前线程封装成一个Node节点，并将该节点加入到等待队列的尾部。

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

addWaiter方法会首先将当前线程封装成一个Node节点，并使用CAS操作将该节点加入到等待队列的尾部。如果CAS操作失败，则会调用enq方法将节点插入到等待队列的尾部。

3.2.2.2 出队操作

当一个线程被唤醒并且成功获取了同步状态时，它需要从等待队列中移除。出队操作会将当前线程对应的节点从等待队列中移除。

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);
}

unparkSuccessor方法会首先将当前线程对应的节点的waitStatus设置为0，表示节点已经被唤醒。然后它会找到当前节点的后继节点，并将其唤醒。

3.2.2.3 插入节点操作

当一个线程需要获取同步状态但同步状态不可用时，它会被加入到等待队列中。插入节点操作会将一个节点插入到等待队列的尾部。

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

enq方法会先尝试使用CAS操作将节点加入到等待队列的尾部，如果CAS操作失败则使用自旋重试。注意，enq方法会在等待队列为空时创建一个空节点作为头节点，这样可以减少特殊情况的处理。

3.2.2.4 删除节点操作

当一个线程被取消或者超时时，它需要从等待队列中移除。删除节点操作会将一个节点从等待队列中移除。

private void cancelAcquire(Node node) {
    // If node doesn't exist, don't bother.
    if (node == null)
        return;

    node.thread = null;

    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    Node predNext = pred.next;

    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // If we are the tail, remove ourselves.
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // Otherwise, we need to splice out ourself.
        int ws;
        if (pred != head &&
                ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
                        (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
                pred.thread != null) {
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            unparkSuccessor(node);
        }

        node.next = node; // help GC
    }
}

cancelAcquire方法会首先将node对应的线程设置为null。然后，它会在等待队列中寻找前驱节点pred，直到pred的waitStatus小于等于0。在这个过程中，它会将所有的pred的waitStatus设置为0，表示它们的后继节点需要被唤醒。

接下来，cancelAcquire方法会将当前节点的waitStatus设置为CANCELLED，表示当前节点已经被取消。

如果当前节点是等待队列的尾节点，那么它可以直接从等待队列中删除，只需要将tail指针指向pred即可。

否则，当前节点不是等待队列的尾节点。此时，它需要将自己从等待队列中剔除，并且唤醒它的后继节点。

具体来说，它会检查pred的waitStatus，如果它是SIGNAL或者0，那么它会尝试将pred的waitStatus设置为SIGNAL，并将pred的后继节点指向当前节点的后继节点。这样做的目的是将当前节点从等待队列中剔除。

如果pred的waitStatus不是SIGNAL或者0，那么它会直接唤醒当前节点的后继节点。

最后，它会将当前节点的next指针指向自己，这样可以帮助垃圾回收器回收节点。

3.2.2.5 AQS的共享模式

除了独占模式外，AQS还支持共享模式。共享模式可以让多个线程同时获取同步状态。

AQS中的共享模式实现了两种锁：共享锁和排他锁。共享锁可以让多个线程同时获取同步状态，但是不能修改同步状态。排他锁只能让一个线程获取同步状态，但是它可以修改同步状态。

在AQS中，实现共享模式需要扩展Node节点，为它添加一个sharedCount字段，表示获取同步状态的线程数量。当线程获取同步状态时，它需要增加sharedCount字段的值；当线程释放同步状态时，它需要减少sharedCount字段的值。

AQS中的共享模式实现了一个FIFO的等待队列，其中包含了所有等待获取同步状态的线程。当一个线程获取共享锁时，它需要检查等待队列中是否还有其他线程等待获取共享锁，如果有，那么当前线程需要等待直到它们全部释放共享锁。

在AQS中，共享模式的同步操作需要实现tryAcquireShared和tryReleaseShared两个方法。tryAcquireShared方法用于尝试获取共享锁，它返回一个整数，表示当前线程获取共享锁的状态。tryReleaseShared方法用于释放共享锁。

在AQS中，tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法的实现与tryAcquire方法和tryRelease方法类似，也是使用CAS操作更新同步状态。不同之处在于，tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法需要处理多个线程同时获取或释放共享锁的情况。

当一个线程尝试获取共享锁时，它会首先调用tryAcquireShared方法，如果返回值大于等于0，表示当前线程获取共享锁成功。如果返回值小于0，那么当前线程会加入等待队列，等待其他线程释放共享锁。

如果当前线程获取共享锁失败，它会调用shouldParkAfterFailedAcquire方法将自己挂起，并且阻塞当前线程，直到其他线程释放共享锁并唤醒它。

当一个线程释放共享锁时，它会首先调用tryReleaseShared方法，释放共享锁，并且更新同步状态。然后，它会唤醒等待队列中的所有线程，让它们重新尝试获取共享锁。

与独占模式不同的是，在共享模式中，线程需要等待所有其他线程释放共享锁才能获取共享锁。因此，共享模式比独占模式更加复杂，需要更多的同步操作。

3.3 AQS的应用

AQS作为Java中并发编程的基础，它的应用非常广泛，几乎涵盖了Java中所有的并发类。下面我们介绍几个常见的应用场景。

3.3.1 ReentrantLock

ReentrantLock是Java中一个非常常用的锁，它是通过AQS实现的。ReentrantLock可以使用独占模式和共享模式，可以重入，可以响应中断，可以定时等待。

在ReentrantLock中，lock方法和unlock方法实际上是调用了AQS中的acquire方法和release方法。tryLock方法实际上是调用了AQS中的tryAcquire方法。

3.3.2 Semaphore

Semaphore是Java中的一个信号量，它是通过AQS实现的。Semaphore可以控制并发线程的数量，它可以被多个线程共享。

在Semaphore中，acquire方法和release方法实际上是调用了AQS中的acquireShared方法和releaseShared方法。

3.3.3 CountDownLatch

CountDownLatch是Java中的一个倒计数器，它是通过AQS实现的。CountDownLatch可以让一个线程等待多个线程执行完毕后再执行。

在CountDownLatch中，await方法和countDown方法实际上是调用了AQS中的acquireShared方法和releaseShared方法。

3.3.4 CyclicBarrier

CyclicBarrier是Java中的一个栅栏，它是通过AQS实现的。CyclicBarrier可以让多个线程在同一时刻到达某个屏障，然后继续执行下一步操作。

在CyclicBarrier中，await方法实际上是调用了AQS中的acquireSharedInterruptibly方法。每个线程到达栅栏时，它会调用acquireSharedInterruptibly方法，等待所有其他线程到达栅栏。当所有线程都到达栅栏时，acquireSharedInterruptibly方法返回，线程继续执行。

3.3.5 ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock是Java中的一个读写锁，它是通过AQS实现的。ReentrantReadWriteLock可以使用独占模式和共享模式，读锁和写锁是互斥的。

在ReentrantReadWriteLock中，读锁和写锁实际上是使用AQS中的独占模式和共享模式实现的。读锁是共享模式，写锁是独占模式。

3.4 总结

AQS是Java中并发编程的基础，它通过同步状态和等待队列实现了锁和同步器的抽象。AQS的实现原理非常复杂，但是它提供了非常强大的同步机制，可以应用于各种场景。

在使用AQS时，需要注意以下几点：

AQS提供了基本的同步机制，但是实际使用时需要根据具体场景进行定制化开发。
AQS中的同步状态必须是原子的，否则会导致并发问题。
AQS中的等待队列必须是线程安全的，否则会导致并发问题。
AQS提供了独占模式和共享模式，可以用于实现各种锁和同步器。
AQS的实现原理非常复杂，需要深入理解才能更好地使用和定制化开发。

通过对AQS的学习和理解，我们可以更好地掌握Java中并发编程的基础知识，更好地应对各种并发场景和问题。