AQS同步器的实现原理

迈不过友情╰ 2023-06-30 15:51 14阅读 0赞

**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：

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图 1.依赖AQS实现的锁和工具类

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：

![format_png 1][]

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：

![format_png 2][] 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：

![format_png 3][]

图 3.首节点的设置

**6.独占式的锁的获取：**调用同步器的acquire(int arg)方法可以获取同步状态，**该方法对中断不敏感**，即线程获取同步状态失败后进入同步队列，后续对线程进行**中断操作**时，线程不会从同步队列中移除。

(1) 当前线程实现通过tryAcquire()方法尝试获取锁，获取成功的话直接返回，如果尝试失败的话，进入等待队列排队等待，可以保证线程安全（CAS）的获取同步状态。

(2) 如果尝试获取锁失败的话，构造同步节点（独占式的Node.EXCLUSIVE），通过addWaiter(Node node,int args)方法,将节点加入到同步队列的队列尾部。

(3) 最后调用acquireQueued(final Node node, int args)方法，使该节点以死循环的方式获取同步状态，如果获取不到，则阻塞节点中的线程。acquireQueued方法当前线程在死循环中获取同步状态，而只有前驱节点是头节点的时候才能尝试获取锁（同步状态）（ p == head && tryAcquire(arg)）。

原因是：1.头结点是成功获取同步状态的节点，而头结点的线程释放锁以后，将唤醒后继节点，后继节点线程被唤醒后要检查自己的前驱节点是否为头结点。

2.维护同步队列的FIFO原则，节点进入同步队列以后，就进入了一个自旋的过程，每个节点（后者说每个线程）都在自省的观察。

下图为节点自旋检查自己的前驱节点是否为头结点：

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图 4 节点自旋获取同步状态

独占式的锁的获取源码：
    
    acquire方法源码如下