Java多线程进阶（六）—— J.U.C之locks框架：AQS综述(1)

一、AQS简介

AbstractQueuedSynchronizer抽象类（以下简称AQS）是整个java.util.concurrent包的核心。在JDK1.5时，Doug Lea引入了J.U.C包，该包中的大多数同步器都是基于AQS来构建的。AQS框架提供了一套通用的机制来管理同步状态（synchronization state）、阻塞/唤醒线程、管理等待队列。

我们所熟知的ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier等同步器，其实都是通过内部类实现了AQS框架暴露的API，以此实现各类同步器功能。这些同步器的主要区别其实就是对同步状态（synchronization state）的定义不同。

AQS框架，分离了构建同步器时的一系列关注点，它的所有操作都围绕着资源——同步状态（synchronization state）来展开，并替用户解决了如下问题：

1. 资源是可以被同时访问？还是在同一时间只能被一个线程访问？（共享/独占功能）
2. 访问资源的线程如何进行并发管理？（等待队列）
3. 如果线程等不及资源了，如何从等待队列退出？（超时/中断）
   这其实是一种典型的模板方法设计模式：父类（AQS框架）定义好骨架和内部操作细节，具体规则由子类去实现。
   AQS框架将剩下的一个问题留给用户：
   什么是资源？如何定义资源是否可以被访问？

我们来看下几个常见的同步器对这一问题的定义：

综上所述，AQS框架提供了以下功能：

1.1 提供一套模板框架

由于并发的存在，需要考虑的情况非常多，因此能否以一种相对简单的方法来完成这两个目标就非常重要，因为对于用户（AQS框架的使用者来说），很多时候并不关心内部复杂的细节。而AQS其实就是利用模板方法模式来实现这一点，AQS中大多数方法都是final或是private的，也就是说Doug Lea并不希望用户直接使用这些方法，而是只覆写部分模板规定的方法。
AQS通过暴露以下API来让让用户自己解决上面提到的“ 如何定义资源是否可以被访问 ”的问题：

1.2 支持中断、超时

还记得Lock接口中的那些锁中断、限时等待、锁尝试的方法吗？这些方法的实现其实AQS都内置提供了。
使用了AQS框架的同步器，都支持下面的操作：

• 阻塞和非阻塞（例如tryLock）同步；
• 可选的超时设置，让调用者可以放弃等待；
• 可中断的阻塞操作。

1.3 支持独占模式和共享模式

1.4 支持Condition条件等待

Condition接口，可以看做是Obejct类的wait()、notify()、notifyAll()方法的替代品，与Lock配合使用。
AQS框架内部通过一个内部类ConditionObject，实现了Condition接口，以此来为子类提供条件等待的功能。

二、AQS方法说明

在本章第一部分讲到，AQS利用了模板方法模式，其中大多数方法都是final或是private的，我们把这类方法称为 Skeleton Method ，也就是说这些方法是AQS框架自身定义好的骨架，子类是不能覆写的。
下面会按类别简述一些比较重要的方法，具体实现细节及原理会在本系列后续部分详细阐述。

2.1 CAS操作

CAS，即CompareAndSet，在Java中CAS操作的实现都委托给一个名为UnSafe类，关于Unsafe类，以后会专门详细介绍该类，目前只要知道，通过该类可以实现对字段的原子操作。

2.2 等待队列的核心操作

2.3 资源的获取操作

2.4 资源的释放操作

三、AQS原理简述

我们在第一节中讲到，AQS框架分离了构建同步器时的一系列关注点，它的所有操作都围绕着资源——同步状态（synchronization state）来展开因此，围绕着资源，衍生出三个基本问题：

1. 同步状态（synchronization state）的管理
2. 阻塞/唤醒线程的操作
3. 线程等待队列的管理

3.1 同步状态

同步状态的定义
同步状态，其实就是资源。AQS使用单个int（32位）来保存同步状态，并暴露出getState、setState以及compareAndSetState操作来读取和更新这个状态。

    /**
     * 同步状态.
     */
    private volatile int state;
    
    protected final int getState() {
        return state;
    }
    
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }
    /**
     * 以原子的方式更新同步状态.
     * 利用Unsafe类实现
     */
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

3.2 线程的阻塞/唤醒

在JDK1.5之前，除了内置的监视器机制外，没有其它方法可以安全且便捷得阻塞和唤醒当前线程。
JDK1.5以后，java.util.concurrent.locks包提供了LockSupport类来作为线程阻塞和唤醒的工具。

3.3 等待队列

等待队列，是AQS框架的核心，整个框架的关键其实就是如何在并发状态下管理被阻塞的线程。
等待队列是严格的FIFO队列，是Craig，Landin和Hagersten锁（CLH锁）的一种变种，采用双向链表实现，因此也叫CLH队列。

1. 结点定义
CLH队列中的结点是对线程的包装，结点一共有两种类型：独占（EXCLUSIVE）和共享（SHARED）。
每种类型的结点都有一些状态，其中独占结点使用其中的CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)，共享结点使用其中的CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、PROPAGATE(-3)。

AQS使用CLH队列实现线程的结构管理，而CLH结构正是用前一结点某一属性表示当前结点的状态，之所以这种做是因为在双向链表的结构下，这样更容易实现取消和超时功能。

next指针：用于维护队列顺序，当临界区的资源被释放时，头结点通过next指针找到队首结点。
prev指针：用于在结点（线程）被取消时，让当前结点的前驱直接指向当前结点的后驱完成出队动作。

    static final class Node {
    
        // 共享模式结点
        static final Node SHARED = new Node();
    
        // 独占模式结点
        static final Node EXCLUSIVE = null;
    
        static final int CANCELLED =  1;
    
        static final int SIGNAL    = -1;
    
        static final int CONDITION = -2;
    
        static final int PROPAGATE = -3;
    
        /**
        * INITAL：      0 - 默认，新结点会处于这种状态。
        * CANCELLED：   1 - 取消，表示后续结点被中断或超时，需要移出队列；
        * SIGNAL：      -1- 发信号，表示后续结点被阻塞了；（当前结点在入队后、阻塞前，应确保将其prev结点类型改为SIGNAL，以便prev结点取消或释放时将当前结点唤醒。）
        * CONDITION：   -2- Condition专用，表示当前结点在Condition队列中，因为等待某个条件而被阻塞了；
        * PROPAGATE：   -3- 传播，适用于共享模式。（比如连续的读操作结点可以依次进入临界区，设为PROPAGATE有助于实现这种迭代操作。）
        * 
        * waitStatus表示的是后续结点状态，这是因为AQS中使用CLH队列实现线程的结构管理，而CLH结构正是用前一结点某一属性表示当前结点的状态，这样更容易实现取消和超时功能。
        */
        volatile int waitStatus;
    
        // 前驱指针
        volatile Node prev;
    
        // 后驱指针
        volatile Node next;
    
        // 结点所包装的线程
        volatile Thread thread;
    
        // Condition队列使用，存储condition队列中的后继节点
        Node nextWaiter;
    
        Node() {
        }
    
        Node(Thread thread, Node mode) { 
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }
    }

2. 队列定义
对于CLH队列，当线程请求资源时，如果请求不到，会将线程包装成结点，将其挂载在队列尾部。
CLH队列的示意图如下：

①初始状态，队列head和tail都指向空

②首个线程入队，先创建一个空的头结点，然后以自旋的方式不断尝试插入一个包含当前线程的新结点

    /**
     * 以自旋的方式不断尝试插入结点至队列尾部
     *
     * @return 当前结点的前驱结点
     */
    private Node enq(final Node node) {
        for (; ; ) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // 如果队列为空，则创建一个空的head结点
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

四、总结

本章简要介绍了AQS的思想和原理，读者可以参考Doug Lea的论文，进一步了解AQS。
直接阅读AQS的源码比较漫无目的，后续章节，将从ReentrantLock、CountDownLatch的使用入手，讲解AQS的独占功能和共享功能。