AQS是什么

那什么是管程呢？所謂管程，就是 管理共享變量以及對(duì)共享變量操作的過程 ，其有三種模型，分別為 Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型。目前應(yīng)用最廣泛的是MESA模型，而JAVA采用的也是這種MESA模型（其模型圖如下圖所示）：

可能這個(gè)圖大家現(xiàn)在還看不太明白，沒關(guān)系，暫時(shí)留個(gè)印象，當(dāng)看完指北君AQS系列文章以后，你再回過頭來看這個(gè)圖，肯定秒懂！

Java中的synchronized關(guān)鍵字就是其管程的具體實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，今天所要聊的AQS同樣也是。AQS是Java并發(fā)編程的基礎(chǔ)，只要掌握它，java.util .concurrent工具包下的大部分工具類源碼你都能在10分鐘內(nèi)看懂，連源碼都懂了，還怕不知道怎么用嗎?！

所以，針對(duì)AQS，指北君將用三篇文章來講解：

第一篇即本篇，我會(huì)將AQS做個(gè)整體的介紹，并將其基礎(chǔ)總結(jié)成了三把斧頭，有了這三把斧頭，你就能快速斬獲AQS

第二篇我們則講AQS如何通過鎖機(jī)制解決互斥問題

第三篇?jiǎng)t是AQS如何通過條件變量來解決線程通信協(xié)作問題

好了，現(xiàn)在隨著指北君開始第一篇的學(xué)習(xí)吧

AQS是什么

好了，本文的正篇正式開始。前言說了半天AQS，AQS到底是什么呢？AQS全稱為AbstractQueuedSynchronizer，翻譯成中文即：抽象隊(duì)列同步器，它是java.util .concurrent工具包下的抽象類，也是一個(gè)模板類（設(shè)計(jì)模式中的模板模式可以了解一波），你也可以理解為為開發(fā)人員提供的一種同步框架，它已經(jīng)幫我們實(shí)現(xiàn)了大部分公共通用邏輯，如線程入隊(duì)、出隊(duì)，阻塞、喚醒等，我們只需要根據(jù)我們自己的需求，實(shí)現(xiàn)一些特定的方法，這些方法也叫鉤子方法，比如下面幾個(gè)方法：

1. tryAcquire：獨(dú)占模式下獲取同步狀態(tài)
2. tryRelease：獨(dú)占模式下釋放同步狀態(tài)
3. tryAcquireShared：共享模式下獲取同步狀態(tài)
4. tryReleaseShared：共享模式下釋放同步狀態(tài)
5. isHeldExclusively：獨(dú)占模式下，查看當(dāng)前線程是否獲取同步狀態(tài)

AQS針對(duì)互斥，提供了兩種模式，即獨(dú)占模式和共享模式。獨(dú)占模式只允許一個(gè)線程拿到鎖去操作共享資源，而共享鎖則有多把鎖，允許多個(gè)線程同時(shí)操作共享資源，這個(gè)第二篇會(huì)詳細(xì)講解，在這之前我們需要先了解AQS的三板斧，這三個(gè)是了解AQS的基礎(chǔ)：

1. 狀態(tài)：AQS中的所有邏輯都是依據(jù)狀態(tài)state來進(jìn)行的，所以它是整個(gè)類的和興。它是被關(guān)鍵字volatile修飾的，保證其可見性和部分有序性
2. 隊(duì)列：一共有兩種隊(duì)列，同步隊(duì)列和條件隊(duì)列。當(dāng)線程的請(qǐng)求在短時(shí)間內(nèi)得不到滿足時(shí)，線程會(huì)被包裝成某種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)放入隊(duì)列中，當(dāng)條件滿足時(shí)則會(huì)拿出隊(duì)列。
3. CAS：由Unsafe工具類來實(shí)現(xiàn)的，其操作具有原子性，AQS通過CAS和volatile來保證狀態(tài)的線程安全

第一板斧：狀態(tài)

private volatile int state;

狀態(tài)是被volatile修飾的int類型變量，它的值代表著鎖還剩多少。在獨(dú)占鎖模式下，只有一把鎖，則state只有0和1兩個(gè)值，1代表鎖沒被其他線程占有，目前可獲??；0則代表鎖已經(jīng)被其他線程占有了。在共享鎖模式下，state最大值就是鎖的數(shù)量。

后面我們對(duì)state的修改都是通過CAS操作，所以是線程安全的。

第二板斧：隊(duì)列

AQS中存在兩種隊(duì)列，一種叫同步隊(duì)列，它是雙向鏈表，其獲取鎖失敗的線程會(huì)被包裝成Node放入同步隊(duì)列中；另一種叫條件隊(duì)列，它是單向鏈表，線程可以調(diào)用等待方法來把自己放入條件隊(duì)列，或者調(diào)用喚醒方法把條件隊(duì)列的其他被包裝成Node的線程移到同步隊(duì)列中。這個(gè)大家如果此時(shí)看不太懂沒關(guān)系，第三篇文章會(huì)詳細(xì)介紹這個(gè)等待喚醒機(jī)制。我們來看看線程包裝成Node的Node類：

static final class Node {
    
   // nextWaiter屬性的具體值
   static final Node SHARED = new Node();
   static final Node EXCLUSIVE = null;
 
   // 鎖的狀態(tài)
   static final int CANCELLED =  1;
   static final int SIGNAL    = -1;
   static final int CONDITION = -2;
   static final int PROPAGATE = -3;
  
   // 線程所處的等待鎖的狀態(tài)：CANCELLED，SIGNAL，CONDITION，PROPAGATE，初始化時(shí)，該值為0
   volatile int waitStatus;
 
   // 雙向鏈表前指針和后指針
   volatile Node prev;
   volatile Node next;
  
   // 表示當(dāng)前Node所代表的Thread
   volatile Thread thread;
 
   // 如果此屬性為EXCLUSIVE，則為獨(dú)占模式；為SHARED,則為共享模式
   Node nextWaiter;
 
   // 判斷是否是共享模式
   final boolean isShared() {
       return nextWaiter == SHARED;
   }
 
   // 獲取鏈表的頭個(gè)節(jié)點(diǎn)
   final Node predecessor() throws NullPointerException {
       Node p = prev;
       if (p == null)
           throw new NullPointerException();
       else
           return p;
   }
   
   // 構(gòu)造函數(shù)，一般用在創(chuàng)建head頭結(jié)點(diǎn)時(shí)使用
   Node() {    
   }
 
   // 構(gòu)造函數(shù)，在addWaiter方法時(shí)使用
   Node(Thread thread, Node mode) {     
       this.nextWaiter = mode;
       this.thread = thread;
   }
  
   // 構(gòu)造函數(shù)，在Condition中使用
   Node(Thread thread, int waitStatus) { 
       this.waitStatus = waitStatus;
       this.thread = thread;
   }
}

指北君已經(jīng)在源碼上做了詳細(xì)的注釋，但這幾個(gè)關(guān)鍵的屬性上還是提出來單獨(dú)看看。

下面四個(gè)屬性是和節(jié)點(diǎn)相關(guān)的：

1. prev：雙向鏈表的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
2. next：雙向鏈表的后繼節(jié)點(diǎn)
3. thread：節(jié)點(diǎn)所代表的線程
4. waitStatus：該節(jié)點(diǎn)線程所處的狀態(tài)，即等待鎖的狀態(tài)

下面四個(gè)屬性是waitStatus的具體狀態(tài)：

1. CANCELLED：此節(jié)點(diǎn)的線程被取消了
2. SIGNAL：此節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)線程被掛起，需要被喚醒
3. CONDITION：此節(jié)點(diǎn)的線程在等待信號(hào)，也表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不在同步隊(duì)列中，而在條件隊(duì)列中
4. PROPAGATE：此節(jié)點(diǎn)下一個(gè)acquireShared應(yīng)該無條件傳播

關(guān)于waitStatus有幾個(gè)點(diǎn)需要注意下：

1. waitStatus除了上面四個(gè)狀態(tài)，還有一個(gè)隱式的狀態(tài)為0，即在Node初始化的時(shí)候
2. 在獨(dú)占鎖模式下，只會(huì)有到狀態(tài)CANCELLED和SIGNAL。需要特別注意的是，SIGNAL它代表的不是自己線程的狀態(tài)，而是它后繼節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)waitStatus為SIGNAL時(shí)，意味著此節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)被掛起，當(dāng)此節(jié)點(diǎn)釋放鎖或者被取消拿鎖，應(yīng)該要喚醒后繼節(jié)點(diǎn)
3. 在共享鎖模式下，只會(huì)用到狀態(tài)CANCELLED和PROPAGATE

第三板斧：CAS

CAS又叫比較交換操作，它是Unsafe類中compareAndSwapXXX方法，我通過下面的例子做個(gè)簡單的介紹：

unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);

CAS執(zhí)行時(shí)，會(huì)拿地址tailOffset上的值與expect做比較，如果相同，則會(huì)將地址上的值更新為update，并返回true，否則直接返回false。

了解了CAS的基本例子后，我們看下AQS中CAS相關(guān)的代碼：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// state、head、tail，waitStatus、next的偏移量
private static final long stateOffset;
private static final long headOffset;
private static final long tailOffset;
private static final long waitStatusOffset;
private static final long nextOffset;

// 靜態(tài)代碼塊，初始化五個(gè)偏移量
static {
   try {
       stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
       headOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
       tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
       waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
       nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (Node.class.getDeclaredField("next"));
 
   } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
 
// 下面5個(gè)方法都是CAS操作了
// cas操作 state
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

// cas操作 head
private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
   return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
}
 
// cas操作 tail
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
   return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}
 
// cas操作 waitStatus
private static final boolean compareAndSetWaitStatus(Node node, int expect, int update) {
   return unsafe.compareAndSwapInt(node, waitStatusOffset, expect, update);
}

// cas操作 nextOffset
private static final boolean compareAndSetNext(Node node, Node expect, Node update) {
   return unsafe.compareAndSwapObject(node, nextOffset, expect, update);
}

我們說第二板斧的時(shí)候說過，其五個(gè)屬性state、head、tail，waitStatus、next都是被volatile修飾的，所以CAS對(duì)其操作能保證其線程安全，因此也可以猜到這些屬性肯定是多線程爭著修改的目標(biāo)。靜態(tài)塊里則是對(duì)這五個(gè)屬性偏移量進(jìn)行初始化。

總結(jié)

AQS的三板斧就介紹完啦，我們?cè)賮砗唵位仡櫹拢?/p>

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是java.util .concurrent工具包下的抽象類，它通過實(shí)現(xiàn)MESA管程來解決并發(fā)領(lǐng)域中的同步與互斥問題。AQS實(shí)現(xiàn)中最重要的三點(diǎn)就是狀態(tài)、CAS和隊(duì)列，我們也稱之為AQS的三板斧。AQS的一切操作都是依據(jù)狀態(tài)state來的，它是被volatile修飾的全局變量，因此我們通過CAS操作使其線程安全。隊(duì)列是維護(hù)阻塞等待線程的容器，所有未獲得鎖或被要求等待的線程都會(huì)被包裝成Node放入隊(duì)列中。