JUC回顾之-AQS同步器的实现原理

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1.什么是AQS?

     AQS的核心思想是基于volatile int state这样的volatile变量，配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前锁状态进行修改。同步器内部依赖一个FIFO的双向队列来完成资源获取线程的排队工作。

2.同步器的应用

　同步器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，对同步状态的修改或者访问主要通过同步器提供的3个方法：

• getState() 获取当前的同步状态
• 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。

     同步器可以支持独占式的获取同步状态，也可以支持共享式的获取同步状态，这样可以方便实现不同类型的同步组件。

     同步器也是实现锁的关键，在锁的实现中聚合同步器，利用同步器实现锁的语义。

3.AQS同步队列

   同步器AQS内部的实现是依赖同步队列（一个FIFO的双向队列，其实就是数据结构双向链表）来完成同步状态的管理。

   当前线程获取同步状态失败时，同步器AQS会将当前线程和等待状态等信息构造成为一个节点（node）加入到同步队列，同时会阻塞当前线程；

   当同步状态释放的时候，会把首节点中的线程唤醒，使首节点的线程再次尝试获取同步状态。AQS是独占锁和共享锁的实现的父类。   

4.AQS锁的类别：分为独占锁和共享锁两种。

• 独占锁：锁在一个时间点只能被一个线程占有。根据锁的获取机制，又分为“公平锁”和“非公平锁”。等待队列中按照FIFO的原则获取锁，等待时间越长的线程越先获取到锁，这就是公平的获取锁，即公平锁。而非公平锁，线程获取的锁的时候，无视等待队列直接获取锁。ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock.Writelock是独占锁。
• 共享锁：同一个时候能够被多个线程获取的锁，能被共享的锁。JUC包中ReentrantReadWriteLock.ReadLock，CyclicBarrier，CountDownLatch和Semaphore都是共享锁。

  JUC包中的锁的包括：Lock接口，ReadWriteLock接口；Condition条件，LockSupport阻塞原语。      

  AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer/AbstractQueuedLongSynchronizer三个抽象类，

  ReentrantLock独占锁，ReentrantReadWriteLock读写锁。CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore也是通过AQS来实现的。

  下面是AQS和使用AQS实现的一些锁，以及通过AQS实现的一些工具类的架构图：

5.AQS同步器的结构：同步器拥有首节点（head）和尾节点（tail）。同步队列的基本结构如下：

                                                       图 1.同步队列的基本结构 compareAndSetTail(Node expect,Node update)

• 同步队列设置尾节点（未获取到锁的线程加入同步队列）: 同步器AQS中包含两个节点类型的引用：一个指向头结点的引用（head),一个指向尾节点的引用（tail），当一个线程成功的获取到锁（同步状态），其他线程无法获取到锁，而是被构造成节点（包含当前线程，等待状态）加入到同步队列中等待获取到锁的线程释放锁。这个加入队列的过程，必须要保证线程安全。否则如果多个线程的环境下，可能造成添加到队列等待的节点顺序错误，或者数量不对。因此同步器提供了CAS原子的设置尾节点的方法（保证一个未获取到同步状态的线程加入到同步队列后，下一个未获取的线程才能够加入）。  如下图，设置尾节点：

 图 2.尾节点的设置  节点加入到同步队列

•  同步队列设置首节点（原头节点释放锁，唤醒后继节点）：同步队列遵循FIFO，头节点是获取锁（同步状态）成功的节点，头节点在释放同步状态的时候，会唤醒后继节点，而后继节点将会在获取锁（同步状态）成功时候将自己设置为头节点。设置头节点是由获取锁（同步状态）成功的线程来完成的，由于只有一个线程能够获取同步状态，则设置头节点的方法不需要CAS保证，只需要将头节点设置成为原首节点的后继节点 ，并断开原头结点的next引用。如下图，设置首节点：

图 3.首节点的设置

 6.独占式的锁的获取与释放：

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