【JDK源码】同步系列AQS初识

简介

AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer，它的定位是为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架。

AQS是基于FIFO的队列实现的，并且内部维护了一个状态变量state，通过原子更新这个状态变量state即可以实现加锁解锁操作。

可以先参考一下【JDK源码】同步系列手写Lock，这个Lock其实可以看成是AQS的一个缩影

核心源码

主要内部类

static final class Node {    // 标识一个节点是共享模式 shared    static final Node SHARED = new Node();    // 标识一个节点是互斥模式 exclusive    static final Node EXCLUSIVE = null;    // 标识线程已取消 cancelled    static final int CANCELLED =  1;    // 标识后继节点需要唤醒 signal    static final int SIGNAL    = -1;    // 标识线程等待在一个条件上 condition    static final int CONDITION = -2;    // 标识后面的共享锁需要无条件的传播（共享锁需要连续唤醒读的线程）    static final int PROPAGATE = -3;        // 当前节点保存的线程对应的等待状态    volatile int waitStatus;    // 前一个节点    volatile Node prev;        // 后一个节点    volatile Node next;    // 当前节点保存的线程    volatile Thread thread;    // 下一个等待在条件上的节点（Condition锁时使用）    Node nextWaiter;    // 是否是共享模式    final boolean isShared() {        return nextWaiter == SHARED;    }    // 获取前一个节点    final Node predecessor() throws NullPointerException {        Node p = prev;        if (p == null)            throw new NullPointerException();        else            return p;    }    // 节点的构造方法    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker    }    // 节点的构造方法    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter        // 把共享模式还是互斥模式存储到nextWaiter这个字段里面了        this.nextWaiter = mode;        this.thread = thread;    }    // 节点的构造方法    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition        // 等待的状态，在Condition中使用        this.waitStatus = waitStatus;        this.thread = thread;    }}

典型的双链表结构，节点中保存着当前线程、前一个节点、后一个节点以及线程的状态等信息。

主要属性

// 队列的头节点private transient volatile Node head;// 队列的尾节点private transient volatile Node tail;// 控制加锁解锁的状态变量private volatile int state;

定义了一个状态变量和一个队列，状态变量用来控制加锁解锁，队列用来放置等待的线程。

注意，这几个变量都要使用volatile关键字来修饰，因为是在多线程环境下操作，要保证它们的值修改之后对其它线程立即可见。

这几个变量的修改是直接使用的Unsafe这个类来操作的：

// 获取Unsafe类的实例，注意这种方式仅限于jdk自己使用，普通用户是无法这样调用的private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();// 状态变量state的偏移量private static final long stateOffset;// 头节点的偏移量private static final long headOffset;// 尾节点的偏移量private static final long tailOffset;// 等待状态的偏移量（Node的属性）private static final long waitStatusOffset;// 下一个节点的偏移量（Node的属性）private static final long nextOffset;static {    try {        // 获取state的偏移量        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));        // 获取head的偏移量        headOffset = unsafe.objectFieldOffset            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));        // 获取tail的偏移量        tailOffset = unsafe.objectFieldOffset            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));        // 获取waitStatus的偏移量        waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset            (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));        // 获取next的偏移量        nextOffset = unsafe.objectFieldOffset            (Node.class.getDeclaredField("next"));    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}// 调用Unsafe的方法原子更新stateprotected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);}

关于Unsafe类可以参考【JDK源码】魔法类Unsafe

子类需要实现的主要方法

我们可以看到AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer，它本质上是一个抽象类，说明它本质上应该是需要子类来实现的，那么子类实现一个同步器需要实现哪些方法呢？

// 互斥模式下使用：尝试获取锁protected boolean tryAcquire(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 互斥模式下使用：尝试释放锁protected boolean tryRelease(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 共享模式下使用：尝试获取锁protected int tryAcquireShared(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 共享模式下使用：尝试释放锁protected boolean tryReleaseShared(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 如果当前线程独占着锁，返回trueprotected boolean isHeldExclusively() {    throw new UnsupportedOperationException();}

这几个方法为什么不直接定义成抽象方法呢？

因为子类只要实现这几个方法中的一部分就可以实现一个同步器了，所以不需要定义成抽象方法。

基于AQS自己动手写一个锁

直接上代码：

public class Demo17 {    // 定义一个同步器，实现AQS类    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        // 实现tryAcquire(acquires)方法        @Override        public boolean tryAcquire(int acquires) {            if (compareAndSetState(0, 1)) {                // 把当前线程设为独占线程                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                return true;            }            return false;        }        // 实现tryRelease(releases)方法        @Override        protected boolean tryRelease(int releases) {            setExclusiveOwnerThread(null);            setState(0);            return true;        }    }    // 声明同步器    private final Sync sync = new Sync();    // 加锁    public void lock() {        // 调用AQS方法        sync.acquire(1);    }    /*    public final void acquire(int arg) {    	再次调用tryAcquire方法，由于我们重写了 所以会走我们的tryAcquire方法        if (!tryAcquire(arg))            acquire(null, arg, false, false, false, 0L);    }	 */    // 解锁 和acquire原理一样    public void unlock() {        sync.release(1);    }    private static int count = 0;    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        Demo17 lock = new Demo17();                       for (int i = 0; i < 1000; i++) {                new Thread(new Runnable() {                    @Override                    public void run() {                        lock.lock();                        for (int i1 = 0; i1 < 10000; i1++) {                            count++;                        }                        lock.unlock();                    }                }).start();            }            Thread.sleep(3000);        System.out.println(count);    }}

运行main()方法总是打印出10000000，说明这个锁也是可以直接使用的，当然这也是一个不可重入的锁(因为tryAcquire失败就直接失败了，没有判断是否是当前线程占有锁)

总结

（1）AQS是Java中几乎所有锁和同步器的一个基础框架，这里说的是“几乎”，因为有极个别确实没有通过AQS来实现；

（2）AQS中维护了一个队列，这个队列使用双链表实现，用于保存等待锁排队的线程；

（3）AQS中维护了一个状态变量，控制这个状态变量就可以实现加锁解锁操作了；

（4）基于AQS自己动手写一个锁非常简单，只需要实现AQS的几个方法即可。