本博客系列是学习并发编程过程中的记录总结。由于文章比较多，写的时间也比较散，所以我整理了个目录贴（传送门），方便查阅。
本文参考了[Java多线程进阶（六）—— J.U.C之locks框架：AQS综述(1)]和Java技术之AQS详解两篇文章。
AQS 简介
AbstractQueuedSynchronizer （简称AQS）类是整个 JUC包的核心类。JUC 中的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、 CountDownLatch、Semaphore和LimitLatch等同步工具都是基于AQS实现的。
AQS 分离出了构建同步器时的通用关注点，这些关注点主要包括如下：
- 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）
- 访问资源的线程如何进行并发管理？（等待队列）
- 如果线程等不及资源了，如何从等待队列退出？（超时/中断）
这些关注点都是围绕着资源——同步状态（synchronization state）来展开的，AQS将这些通用的关注点封装成了一个个模板方法，让子类可以直接使用。
AQS 留给用户的只有两个问题：
- 什么是资源
- 什么情况下资源是可以被访问的
这样一来，定义同步器的难度就大大降低了。用户只要解决好上面两个问题，就能构建出一个性能优秀的同步器。
下面是几个常见的同步器对资源的定义：
| ReentrantLock | 资源表示独占锁。State为0表示锁可用；为1表示被占用；为N表示重入的次数 |
| ReentrantReadWriteLock | 资源表示共享的读锁和独占的写锁。state逻辑上被分成两个16位的unsigned short，分别记录读锁被多少线程使用和写锁被重入的次数。 |
| CountDownLatch | 资源表示倒数计数器。State为0表示计数器归零，所有线程都可以访问资源；为N表示计数器未归零，所有线程都需要阻塞。 |
| Semaphore | 资源表示信号量或者令牌。State≤0表示没有令牌可用，所有线程都需要阻塞；大于0表示由令牌可用，线程每获取一个令牌，State减1，线程没释放一个令牌，State加1。 |
AQS 原理
上面一节中介绍到 AQS 抽象出了三个关注点，下面就具体看下 AQS 是如果解决这三个问题的。
同步状态的管理
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。
private volatile int state;
protected final int getState() {
return state;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
线程的阻塞和唤醒
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。
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，采用双向循环链表实现，因此也叫CLH队列。
1. 节点定义
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)。
| CANCELLED | 1 | 取消。表示后驱结点被中断或超时，需要移出队列 |
| SIGNAL | -1 | 发信号。表示后驱结点被阻塞了（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。） |
| INITIAL | 0 | 默认。新结点会处于这种状态 |
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。
下面结合代码一起看下节点进入队列的过程。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail; // 1
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node())) // 2
tail = head;
} else {
node.prev = t; // 3
if (compareAndSetTail(t, node)) { // 4
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
如上代码在第一次循环中，当要在AQS队列尾部插入元素时，AQS队列状态如下图中（default）所示。也就是队列头、尾节点都指向null；当执行代码（1）后节点t指向了尾部节点，这时候队列状态如图中（I）所示。
这时候t为null，故执行代码（2），使用CAS算法设置一个哨兵节点为头节点，如果CAS设置成功，则让尾部节点也指向哨兵节点，这时候队列状态如图中（II）所示。
到现在为止只插入了一个哨兵节点，还需要插入node节点，所以在第二次循环后执行到代码（1），这时候队列状态如图中（III）所示；然后执行代码（3）设置node的前驱节点为尾部节点，这时候队列状态如图中（IV）所示；
然后通过CAS算法设置node节点为尾部节点，CAS成功后队列状态如图中（V）所示；
CAS成功后再设置原来的尾部节点的后驱节点为node，这时候就完成了双向链表的插入，此时队列状态如图中（VI）所示。
AQS 的方法介绍
用户需要自己重写的方法
上面介绍到 AQS 已经帮用户解决了同步器定义过程中的大部分问题，只将下面两个问题丢给用户解决：
- 什么是资源
- 什么情况下资源是可以被访问的
具体的，AQS 是通过暴露以下 API 来让用户解决上面的问题的。
| tryAcquire | 独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。 |
| tryRelease | 独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。 |
| tryAcquireShared | 共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。 |
| tryReleaseShared | 共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。 |
| isHeldExclusively | 该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。 |
如果你需要实现一个自己的同步器，一般情况下只要继承 AQS ，并重写 AQS 中的这个几个方法就行了。至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。要不怎么说Doug Lea贴心呢。
需要注意的是：如果你没在子类中重写这几个方法就直接调用了，会直接抛出异常。所以，在你调用这些方法之前必须重写他们。不使用的话可以不重写。
AQS 提供的一系列模板方法
查看 AQS 的源码我们就可以发现这个类提供了很多方法，看起来让人“眼花缭乱”的。但是最主要的两类方法就是获取资源的方法和释放资源的方法。因此我们抓住主要矛盾就行了：
- public final void acquire(int arg) // 独占模式的获取资源
- public final boolean release(int arg) // 独占模式的释放资源
- public final void acquireShared(int arg) // 共享模式的获取资源
- public final boolean releaseShared(int arg) // 共享模式的释放资源
acquire(int)方法
该方法以独占方式获取资源，如果获取到资源，线程继续往下执行，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。该方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
下面分析下这个acquire方法的具体执行流程：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//首先判断了当前节点的前继节点是不是头节点，如果是的话就再次尝试获取资源，
//获取资源成功的话就直接返回false（表示未被中断过）
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//判断是否需要让当前节点进入waiting状态
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
// 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
以上就是acquire方法的简单分析。
单独看这个方法的话可能会不太清晰，结合ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、 CountDownLatch、Semaphore和LimitLatch等同步工具看这个代码的话就会好理解很多。
release(int)方法
release(int)方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//上面已经讲过了，需要用户自定义实现
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
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);
}
与acquire()方法中的tryAcquire()类似，tryRelease()方法也是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。
但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。
unparkSuccessor(Node)方法用于唤醒等待队列中下一个线程。这里要注意的是，下一个线程并不一定是当前节点的next节点，而是下一个可以用来唤醒的线程，如果这个节点存在，调用unpark()方法唤醒。
总之，release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。（需要注意的是队列中被唤醒的线程不一定能立马获取资源，因为资源在释放后可能立马被其他线程（不是在队列中等待的线程）抢掉了）
acquireShared(int)方法
acquireShared(int)方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。
public final void acquireShared(int arg) {
//tryAcquireShared需要用户自定义实现
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
可以发现，这个方法的关键实现其实是获取资源失败后，怎么管理线程。也就是doAcquireShared的逻辑。
//不响应中断
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
可以看出，doAcquireShared的逻辑和acquireQueued的逻辑差不多。将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。
简单总结下acquireShared的流程：
releaseShared(int)方法
releaseShared(int)方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。