死磕Java并发：J.U.C之AQS：AQS简介

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作为「小明哥」的忠实读者，「老艿艿」略作修改，记录在理解过程中，参考的资料。

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Java 的内置锁一直都是备受争议的，在 JDK 1.6 之前，synchronized 这个重量级锁其性能一直都是较为低下，虽然在 1.6 后，进行大量的锁优化策略（《【死磕 Java 并发】—– 深入分析 synchronized 的实现原理》），但是与 Lock 相比 synchronized 还是存在一些缺陷的：虽然 synchronized 提供了便捷性的隐式获取锁释放锁机制（基于JVM机制），但是它却缺少了获取锁与释放锁的可操作性，可中断、超时获取锁，且它为独占式在高并发场景下性能大打折扣。

在介绍 Lock 之前，我们需要先熟悉一个非常重要的组件，掌握了该组件 J.U.C 包下面很多问题都不在是问题了。该组件就是 AQS 。

1. 简介

AQS ，AbstractQueuedSynchronizer ，即队列同步器。它是构建锁或者其他同步组件的基础框架（如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore 等），J.U.C 并发包的作者（Doug Lea）期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。

它是 J.U.C 并发包中的核心基础组件。

2. 优势

AQS 解决了在实现同步器时涉及当的大量细节问题，例如获取同步状态、FIFO 同步队列。基于 AQS 来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作，而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。

在基于 AQS 构建的同步器中，只能在一个时刻发生阻塞，从而降低上下文切换的开销，提高了吞吐量。同时在设计 AQS 时充分考虑了可伸缩性，因此 J.U.C 中，所有基于 AQS 构建的同步器均可以获得这个优势。

3. 同步状态

AQS 的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器，并实现它的抽象方法来管理同步状态。

AQS 使用一个 int 类型的成员变量 state 来表示同步状态：

• 当 state > 0 时，表示已经获取了锁。
• 当 state = 0 时，表示释放了锁。

它提供了三个方法，来对同步状态 state 进行操作，并且 AQS 可以确保对 state 的操作是安全的：

• #getState()
• #setState(int newState)
• #compareAndSetState(int expect, int update)

4. 同步队列

AQS 通过内置的 FIFO 同步队列来完成资源获取线程的排队工作：

• 如果当前线程获取同步状态失败（锁）时，AQS 则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程
• 当同步状态释放 时，则会把节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

5. 主要内置方法

AQS 主要提供了如下方法：

• #getState() ：返回同步状态的当前值。
• #setState(int newState) ：设置当前同步状态。
• #compareAndSetState(int expect, int update) ：使用 CAS 设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。
• 【可重写】 #tryAcquire(int arg) ：独占式获取同步状态，获取同步状态成功后，其他线程需要等待该线程释放同步状态才能获取同步状态。
• 【可重写】 #tryRelease(int arg) ：独占式释放同步状态。
• 【可重写】 #tryAcquireShared(int arg) ：共享式获取同步状态，返回值大于等于 0 ，则表示获取成功；否则，获取失败。
• 【可重写】 #tryReleaseShared(int arg) ：共享式释放同步状态。
• 【可重写】 #isHeldExclusively() ：当前同步器是否在独占式模式下被线程占用，一般该方法表示是否被当前线程所独占。
• acquire(int arg)可重写 ：独占式获取同步状态。如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回；否则，将会进入同步队列等待。该方法将会调用 的 #tryAcquire(int arg) 方法；
• #acquireInterruptibly(int arg) ：与 #acquire(int arg) 相同，但是该方法响应中断。当前线程为获取到同步状态而进入到同步队列中，如果当前线程被中断，则该方法会抛出InterruptedException 异常并返回。
• #tryAcquireNanos(int arg, long nanos) ：超时获取同步状态。如果当前线程在 nanos 时间内没有获取到同步状态，那么将会返回 false ，已经获取则返回 true 。
• #acquireShared(int arg) ：共享式获取同步状态，如果当前线程未获取到同步状态，将会进入同步队列等待，与独占式的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态；
• #acquireSharedInterruptibly(int arg) ：共享式获取同步状态，响应中断。
• #tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) ：共享式获取同步状态，增加超时限制。
• #release(int arg) ：独占式释放同步状态，该方法会在释放同步状态之后，将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒。
• #releaseShared(int arg) ：共享式释放同步状态。

从上面的方法看下来，基本上可以分成 3 类：

• 独占式 获取与释放同步状态
• 共享式 获取与释放同步状态
• 查询同步队列 中的等待线程情况

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后续文章， LZ 将会就 CLH 队列，同步状态的获取、释放做详细介绍。

6. 参考资料

1. Doug Lea：《Java 并发编程实战》
2. 方腾飞：《Java 并发编程的艺术》的 「5.2 队列同步器」 章节。

666. 彩蛋

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