关于java:连肝4天这瞬间戳中面试官小心心的AQS大餐给大家安排上

点赞的靓仔，你时人群中最闪耀的光辉

前言

AQS，英文全称AbstractQueuedSynchronizer，间接翻译为形象的队列同步器。是JDK1.5呈现的一个用于解决并发问题的工具类，由赫赫有名的Doug Lea打造，与synchornized关键字不同的是，AQS是通过代码解决并发问题。

回顾并发问题

并发问题是指在多线程运行环境下，共享资源平安的问题。
当初的银行账户，通过银行卡和手机银行都能够操作账户，如果咱们同时拿着银行卡和存折去银行搞事件，会怎么样呢？

package demo.pattren.aqs;

public class Money {
    /**
     * 假如当初账户有1000块钱
     */
    private int money = 1000;
    /**
     * 取钱
     */
    public void drawMoney(){
        this.money--;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Money money = new Money();
        for(int i=0; i<1000; i++){
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                money.drawMoney();
            },i + "").start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("以后账户余额：" + money.money);
    }
}

这样想着是不是马上能够去银行搞一波事件？哈哈，你想太多了，如果能这样搞，银行早破产了。咱们次要是来剖析一下呈现这个问题的起因,JVM内存是JMM构造的，每个线程操作的数据是从主内存中复制的一个和备份，而多个线程就会存在多个备份，当线程中的备份数据被批改时，会将值刷新到主内存，比方多个线程同时获取到了账户的余额为500元，A线程存钱100，线程A将600刷新到主内存，$\color{red}{主内存并不会被动告诉其余线程此时值曾经被批改}$，所以主内存的值此时与其余线程的值是不同的，如果其余线程再操作账户余额，是在500的根底上进行的，这显然不是咱们想要的后果。

解决并发问题

JDK提供了多种解决多线程平安的形式。

volatile关键字

volatile是JDK提供的关键字，用来润饰变量，volatile润饰的变量可能保障多个线程下的可见性，如上个案例，A批改了账户的余额，而后将最新的值刷新到主内存，此时主内存会将最新的值同步到其余线程。

volatile解决了多线程下数据读取统一的问题，$\color{red}{即保障可见性，然而其并不能保障写操作的原子性}$,

当多个线程同时写操作的时候，即多个线程同时去将线程中最新的值刷新到主内存，将会呈现问题。

通过volatile关键字润饰money变量，发下并不能解决线程平安问题。

原子操作类

原子操作类是JDK提供的一系列保障原子操作的工具类，原子类能够保障多线程环境下对其值的操作是平安的。

package demo.pattren.aqs;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicMoney {
    /**
     * 假如当初账户有1000块钱
     */
    private AtomicInteger money = new AtomicInteger(1000);
    /**
     * 取钱
     */
    public void drawMoney(){
        //AtomicInteger的自减操作
        this.money.getAndDecrement();
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicMoney money = new AtomicMoney();
        for(int i=0; i<1000; i++){
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                money.drawMoney();
            },i + "").start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("以后账户余额：" + money.money);
    }
}

屡次测试后果都是0，与预期统一。原子操作类是应用CAS(Compare and swap 比拟并替换)的机制来保障操作的原子性，绝对于锁，他的并发性更高。

synchronized关键字

synchronized关键字是jvm层面来保障线程平安的，通过在代码块前后增加monitorenter与monitorexit命令来保障线程的平安，而且在JDK1.6对synchronized关键字做了较大的优化，性能有了较大的晋升。能够确定的是，通过synchronized必定能够保障线程平安，所以应用synchronized也是很好的抉择，当然synchronized锁的降级不可逆特色，导致在高并发下性能是不能很好的保障。

Lock锁

终于迎来了本篇文章的配角，后面的内容，其实与文章的主题AQS并没有间接的关联，就简略带过。后面很多都是JVM层面来保障线程平安的，而AQS则是齐全通过代码层面来解决线程平安的。
(PS：大节题目明明是Lock锁，怎么写AQS了，骗我读书少)

博主怕挨打，正在全力解释中~。先上类图压场！

如上图，右边是形象队列同步器，而左边则是应用队列同步器实现的性能——锁、信号量、发令枪等。
能够先不看源码，咱们本人思考，要以纯代码的形式实现该当思考哪些问题？

线程互斥：能够应用state状态进行判断，state=0，则能够获取到锁，state>0,则不能获取。
排队等待：不能获取锁的线程该当存储起来，当锁开释后能够持续获取锁执行。
线程唤醒：当锁开释后，处于期待状态的线程该当被唤醒。
锁重入：如何解决同一个进入多个加锁的办法(不解决的话分分钟死锁给你看)。

对于1、2两点，难度应带不大，而3、4两点如何去设计呢？咱们通过伪代码预演操作流程。

在业务端，是这样操作的。

  加锁
  {须要被锁住的代码}
  开释锁

加锁与开释锁的逻辑

    if(state == 0)
      获取到锁
      set(state == 1)
    else
      持续期待
      while(true){
           if(state == 0)
             再次尝试获取锁
      }

这样设计之后，整个操作流程再次变成了串行操作。

这和咱们去食堂排队打饭是一样的，食堂不可能为每个学生都凋谢一个窗口，所以多个学生就会争抢无限的窗口，如果没有肯定的管制，那么食堂每到吃饭的时候都是乱套的，一群学生围着窗口同时去打饭，想想都是如许的恐怖。而由此呈现了排队的机制，一个窗口同一时间打饭的人只能有一个，以后一个人来到窗口后，前面排队的学生能力去打饭。

源码解读

上面咱们深刻JDK源码，领略大师级的代码设计。
业务调用代码:

package demo.aqs;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockMoney {
    Lock lock = new ReentrantLock();
    /**
     * 假如当初账户有1000块钱
     */
    private int money = 1000;
    //private int money = 1000;
    /**
     * 取钱
     */
    public void drawMoney(){
        lock.lock();
        this.money--;
        lock.unlock();
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LockMoney money = new LockMoney();
        for(int i=0; i<1000; i++){
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                money.drawMoney();
            },i + "").start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("以后账户余额：" + money.money);
    }
}

追踪Lock办法：
间接看源码根本一会儿就晕车，我尝试绘制出lock办法的调用链路。而后联合源码解释。

大家跟着箭头走一遍源码，多多少少可能领会到AQS的实现机制。

NonfairSync.lock

final void lock() {
    //CAS尝试将state从0更新为1，更新胜利则执行if上面的代码。
    if (compareAndSetState(0, 1))
        //获取锁胜利，执行线程执行
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        //获取锁失败，线程入队列
        acquire(1);
}

看到这段代码，是不是霎时明确后面提到的1、2两点问题。首先compareAndSetState办法是应用Unsafe间接操作内存并且应用乐观锁的形式，可能保障有且仅有一个线程可能操作胜利，是多线程平安的。即设置将state设置为1胜利的线程可能抢占到锁(线程互斥)，而没有设置胜利的线程将进行入队操作(排队等待)，这样感觉霎时清朗了许多，那咱们接着往下看。

AbstractQueuedSynchronizor.acquire

 public final void acquire(int arg) {
    //tryAcquire失败并且acquireQueued胜利，则调用selfInterrupt
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        //当线程获取锁失败并且线程阻塞失败会中断线程
        selfInterrupt();
}

AbstractQueuedSynchronizor的tryAcquire办法,其最终调用到了Sync的nonfairTryAcquire

 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //获取以后锁的状态值
    int c = getState();
    // state = 0,示意以后锁为闲暇状态，其实这一段代码和后面lock的办法是一样的
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //不等于0 则判断以后线程是否为持有锁的线程，如果是则执行代码，这里解决了重入锁问题
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //以后状态值 + 1(能够看后面的传参)
        int nextc = c + acquires;
        // 囧， 这里是超出了int的最大值才会呈现这样的状况
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //更新state的值
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

通过浏览源码，能够发现，tryAcquire办法在以后线程获取锁胜利或者是重入锁的状况下返回true，否则返回false。而同时这个办法解决了下面提到的第4点锁重入的问题。ok，感觉越来越靠近假相了，接着看addWaiter办法。
了解addWaiter办法的代码，先看办法中用的得Node对象。 Node对象是对Thread对象的封装，使其具备线程的性能，同时他还有prev、next等属性。那么很明了，Node是一个链表构造的对象

   //前一个结点
   volatile Node prev;
   //下一个结点
   volatile Node next;

同时AbstractQueuedSynchronizor中蕴含head、tail属性

 //Node链表的头结点
 private transient volatile Node head;
 //Node链表的尾结点
 private transient volatile Node tail;

private Node addWaiter(Node mode) {
    //将以后线程包装为Node对象
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    //获取尾节点，当这段代码第一次运行的时候，并没有尾结点
    //所以必定值为null，那么会执行上面的enq办法
    Node pred = tail;
    //当再次运行代码的时候，尾结点不再为null(enq办法初始化了尾结点,能够先往下看enq办法源码)
    if (pred != null) {
        //以后结点的前置结点指向之前的尾结点
        node.prev = pred;
        //CAS尝试将尾结点从pred设置为node
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            //设置胜利则将pred的next结点执行node
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

下面的解释听着有点绕脑袋。

不焦急，咱们先看enq办法

private Node enq(final Node node) {
    //死循环
    for (;;) {
        //获取尾结点
        Node t = tail;
        //尾结点为空，则初始化尾结点和头结点为同一个新创建的Node对象
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            //将以后结点设为为尾结点，并将前一个尾结点的next指向以后结点
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                //退出循环
                return t;
            }
        }
    }
}

enq具体做了什么事件呢：

第一次循环，初始化头结点与尾结点 new Node()
第二次循环，将以后线程封装的Node对象设置为尾结点，并将前一个尾结点的next指向此Node

这里须要一些工夫 + 空间的想象力，但如果对链表构造比拟相熟的话，这里了解也是不太艰难的。
咱们动静的想一想执行过程：

第一个线程进入lock办法，此时是必定能够获取到锁，间接执行，不会进入到addWaiter办法
第二个线程进入lock办法，咱们假如第一个线程还没有开释锁，此时进入执行enq办法，enq进行链表的初始化。

第三个线程以及更多的线程进入lock办法，此时不再执行enq办法，而是在初始化之后的链表进行链接。

acquireQueued

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
  //局部变量
  boolean failed = true;
  try {
      //局部变量
      boolean interrupted = false;
      //死循环
      for (;;) {
          //获取前置结点
          final Node p = node.predecessor();
          //前置结点为head并且尝试获取锁胜利，则不阻塞
          if (p == head && tryAcquire(arg)) {
              setHead(node);
              p.next = null; // help GC
              failed = false;
              return interrupted;
          }
          //阻塞操作 ， 判断是否应该阻塞 并且 阻塞是否胜利
          if (
                //是否在抢占锁失败后阻塞
              shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
              //Unsafe操作使线程阻塞
              parkAndCheckInterrupt())
              interrupted = true;
      }
  } finally {
      if (failed)
          cancelAcquire(node);
  }
}

shouldParkAfterFailedAcquire剖析

//Node pred 前置结点, Node node 以后结点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //获取前置结点的期待状态
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * 唤醒信号，即前结点失常，就设置waitStatus为SIGNAL，示意前置结点能够唤醒以后结点，那          * 么以后结点才会安心的被阻塞(如果前置结点不失常，可能就会导致本人不能被唤醒，那必定不          * 能安心睡觉的)
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * 找到前置结点中waitStatus <= 0 的Node结点并设置为以后结点的前置结点
         * 此状态示意结点不是处于失常状态，那么将他从链表中删除，直到找到状态失常的结点
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        /*
         * 当waitStatus = 0 或者 PROPAGATE(-3) 时，CAS设置值为SIGNAL(-1)
         * 此状态示意线程失常，但没有设置唤醒，个别为tail的前一个结点，那么须要将其设置为可唤醒          * 状态(SIGNAL)
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

图解如下。

至此，咱们理解了AQS对须要期待的线程存储的过程。
而AQS的解锁以及偏心锁、非偏心锁，共享锁、独享锁等后续跟上。

参考资料：

https://www.cnblogs.com/water…
https://www.jianshu.com/p/d61…

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前言

回顾并发问题

解决并发问题

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Lock锁

源码解读

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AbstractQueuedSynchronizor.acquire

acquireQueued

shouldParkAfterFailedAcquire剖析

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回顾并发问题

解决并发问题

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synchronized关键字

Lock锁

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