AQS（AbstractQueuedSynchronizer）
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一、概述
AQS是AbstractQueuedSynchronizer（抽象队列同步器）的缩写。它是多线程访问共享资源的框架，ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等都是基于它来实现的。
从图中可以看到，有两个关键的组成部分，一个是state（共享资源，也可以理解为资源占用计数器），另一个是FIFO队列，用来保存需要获得共享资源的县城，其head节点始终指向当前真在占用共享资源的线程。
进入等待队列的线程会被封装成一个Node。其主要成员如下：
class Node {
//在同步队列中等待的线程等待超时或被中断，需要从同步队列中取消该Node的结点，其结点的waitStatus为CANCELLED，即结束状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
static final int CANCELLED = 1;
//值为-1，被标识为该等待唤醒状态的后继结点，当其前继结点的线程释放了同步锁或被取消，将会通知该后继结点的线程执行。说白了，就是处于唤醒状态，只要前继结点释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行。
static final int SIGNAL = -1;
//与Condition相关，该标识的结点处于等待队列中，结点的线程等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
static final int CONDITION = -2;
//与共享模式相关，在共享模式中，该状态标识结点的线程处于可运行状态。
static final int PROPAGATE = -3;
//节点的等待状态，默认0状态：值为0，代表初始化状态。
volatile int waitStatus;
//前驱结点
volatile Node prev;
//后驱节点
volatile Node next;
//目标线程
volatile Thread thread;
//获取前驱结点
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
}
对于共享资源state的修改，除了提供普通的getter之外，还提供了一个原子操作compareAndSetState()。
AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。
AQS提供了几个重要的方法，参数都是state的值：
- tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryAcquireShared(int)：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(int)：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。
自定义同步器主要实现这些方法即可，其他的工作AQS本身已经实现好了。
以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示资源/锁未被占用。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。
二、AQS工作原理
今天主要分析独占式下的acquire-release。
acquire(int)
1 public final void acquire(int arg) {
2 if (!tryAcquire(arg) &&
3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
4 selfInterrupt();
5 }
函数步骤如下：
- tryAcquire(arg)。获取共享资源。
- addWaiter(Node.EXCLUSIVE)。将需要获取共享资源的线程放入等待队列的尾部，并标记为独占模式。
- acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))。进入等待队列里再次尝试获取共享资源，一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
- 如果如果直接获取失败或者在等待队列里被中断过则执行selfInterrupt()，调用Thread.currentThread().interrupt()来中断线程。
下面逐个方法看。
tryAcquire(int)
1 protected boolean tryAcquire(int arg) {
2 throw new UnsupportedOperationException();
3 }
该方法的实现仅仅是抛出一个异常。然而该方法正是需要自定义同步器重写的方法，包括对state的操作。
addWaiter(Node)
由于直接获取资源失败，该方法是将线程放到等待队列尾部。
private Node addWaiter(Node mode) {
//以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//尝试快速方式直接放到队尾。
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//上一步失败则通过enq入队。
enq(node);
return node;
}
其中compareAndSetTail(pred, node)是以原子的方式进行尾节点和当前线程节点的交换。
enq(Node)
该方法是在快速加入尾节点失败之后执行，目的也是将node加入队尾。
1 private Node enq(final Node node) {
2 //"自旋"，直到成功加入队尾
3 for (;;) {
4 Node t = tail;
5 if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。
6 if (compareAndSetHead(new Node()))//原子设置头节点
7 tail = head;
8 } else {//正常流程，放入队尾
9 node.prev = t;
10 if (compareAndSetTail(t, node)) {
11 t.next = node;
12 return t;
13 }
14 }
15 }
16 }
acquireQueued(Node, int)
通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部“休息”，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，再去获取共享资源。
1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
2 boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源
3 try {
4 boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过
5
6 //又是一个“自旋”！
7 for (;;) {
8 final Node p = node.predecessor();//拿到前驱
9 //如果前驱是head，则可以去获取资源
10 if (p == head && tryAcquire(arg)) {
11 setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
12 p.next = null; // setHead中node.prev已置为null，此处再将原来的head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！
13 failed = false;
14 return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
15 }
16
17 //判断是否可以休息，如果可以，就进入waiting状态，如果等待过程中被中断过，就将interrupted标记为true
18 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
19 parkAndCheckInterrupt())
20 interrupted = true;
21 }
22 } finally {//自旋过程中超时或者被中断则从队列移除该节点
23 if (failed)
24 cancelAcquire(node);
25 }
26 }
shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)
此方法主要用于检查状态，看看自己是否可以进入waiting状态。
1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
2 int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的等待状态
3 if (ws == Node.SIGNAL)
4 //如果已经告诉前驱资源释放后通知自己一下，那就可以安心休息了
5 return true;
6 if (ws > 0) {
7 /*
8 * 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。
9 * 注意：那些放弃的结点稍后就会被回收
10 */
11 do {
12 node.prev = pred = pred.prev;
13 } while (pred.waitStatus > 0);
14 pred.next = node;
15 } else {
16 //如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它资源释放后通知自己一下。
17 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
18 }
19 return false;
20 }
parkAndCheckInterrupt()
休眠并且检查中断。
1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
2 LockSupport.park(this);//调用本地方法park()使线程进入waiting状态
3 return Thread.interrupted();//返回当前线程是否被中断。
4 }
cancelAcquire(Node)
从队列移除节点
private void cancelAcquire(Node node) {
if (node == null)
return;
node.thread = null;
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;//跳过已经被取消的节点一直往前找，直到找到一个有效的节点，让node的前驱结点指向该节点
Node predNext = pred.next;//获取刚才找到的前驱结点的后置节点
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {//如果当前node就是尾节点，就以原子方式把刚才找到的前驱结点设置为新的尾节点
compareAndSetNext(pred, predNext, null);//以原子的方式将上面设置为新的尾节点的后置节点置为null
} else {
int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {//前驱结点不是头节点而且成功设置了"信号状态"的之后，就把它的后置节点指向即将要取消的node节点的后置节点
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
unparkSuccessor(node);//否则唤醒下一个需要获取锁的节点
}
node.next = node;
}
}
当前节点是尾节点：
当前节点既不是尾节点也不是头节点：
release(int)
释放资源，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。
1 public final boolean release(int arg) {
2 if (tryRelease(arg)) {
3 Node h = head;//找到头结点，即当前持有资源的线程对应的节点
4 if (h != null && h.waitStatus != 0)
5 unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程
6 return true;
7 }
8 return false;
9 }
tryRelease(int)
此方法尝试去释放指定量的资源。需要自定义同步器自己实现。
1 protected boolean tryRelease(int arg) {
2 throw new UnsupportedOperationException();
3 }
其实就是将state减去arg，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。
unparkSuccessor(Node)
此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。
1 private void unparkSuccessor(Node node) {
3 int ws = node.waitStatus;
4 if (ws < 0)//置0当前线程所在的结点状态。
5 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
6
7 Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
8 if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
9 s = null;
10 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)//从队列尾向前找，直到找到下一个距离node最近的有效节点
11 if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
12 s = t;
13 }
14 if (s != null)
15 LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
16 }
