Java-AQS底层原理解析

AQS 底层原理

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是一个抽象同步队列，JUC(java.util.concurrent)中很多同步锁都是基于 AQS 实现的。

AQS的基本原理就是当一个线程请求共享资源的时候会判断是否能够成功操作这个共享资源，如果可以就会把这个共享资源设置为锁定状态，如果当前共享资源已经被锁定了，那就把这个请求的线程阻塞住，也就是放到队列中等待。

state 变量：

• AQS中有一个被 volatile 声明的变量用来表示同步状态

• 提供了 getState()、setState() 和compareAndSetState()方法来修改 state 状态的值

  // 返回同步状态的当前值
  protected final int getState() {return state;}
  
  // 设置同步状态的值
  protected final void setState(int newState) {state = newState;}
  
  // CAS 操作修改 state 的值
  protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
  }

对共享资源的操作方式：

上面说了 AQS 是JUC中很多同步锁的底层实现，锁也分很多种，有像 ReentrantLock 这样的独占锁，也有 ReentrantReadWriteLock 这样的共享锁，所以 AQS 中也必然是包含这两种操作方式的逻辑

1. 独占式

   • 获取资源的时候会调用 acquire() 方法，这里面会调用 tryAcquire() 方法去设置 state 变量，如果失败的话就把当前线程放入一个 Node 中存入队列

   public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
           selfInterrupt();}

   • 释放资源的时候是调用 realase() 方法，会调用 tryRelease() 方法修改 state 变量，调用成果后会去唤醒队列中 Node 里的线程，unparkSuccessor()方法就是判断当前 state 变量是否符合唤醒的标准，如果合适就唤醒，否则继续放回队列

   public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {
           Node h = head;
           if (h != null && h.waitStatus != 0)
               unparkSuccessor(h);
           return true;
       }
       return false;
   }

   • 注意 tryAcquire() 和tryRelease()方法在 AQS 中都是空的，前面说了 JUC 中很多同步锁都是基于 AQS 实现，所以加锁和释放锁的逻辑都还不确定，因此是要在这些同步锁中实现这两个方法

   protected boolean tryAcquire(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
   }
   
   protected boolean tryRelease(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
   }

2. 共享式

   • 获取资源会调用 acquireShared() 方法，会调用 tryAcquireShared() 操作 state 变量，如果成功就获取资源，失败则放入队列

     public final void acquireShared(int arg) {if (tryAcquireShared(arg) < 0)
             doAcquireShared(arg);
     }

   • 释放资源是调用 releaseShared() 方法，会调用 tryReleaseShared() 设置 state 变量，如果成功就唤醒队列中的一个 Node 里的线程，不满足唤醒条件则还放回队列中

     public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
     }    

   • 和独占式一样，tryAcquireShared()和 tryReleaseShared() 也是需要子类来提供

     protected int tryAcquireShared(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
     }
     
     protected boolean tryReleaseShared(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
     }

条件变量 Condition

Condition中的 signal() 和await()方法类似与 notify() 和wait()方法，需要和 AQS 锁配合使用。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {lock.lock();
            System.out.println("t1 加锁");
            System.out.println("t1 start await");
            try {condition.await();
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("t1 end await");
            lock.unlock();}
    });
    thread1.start();

    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {lock.lock();
            System.out.println("t2 加锁");
            System.out.println("t2 start signal");
            condition.signal();
            System.out.println("t2 end signal");
            lock.unlock();}
    });
    thread2.start();}

• 在 AQS 中的原理

  上面 lock.newCondition() 其实是 new 一个 AQS 中ConditionObject内部类的对象出来，这个对象里面有一个队列，当调用 await() 方法的时候会存入一个 Node 节点到这个队列中，并且调用 park() 方法阻塞当前线程，释放当前线程的锁。而调用 singal() 方法则会移除内部类中的队列头部的 Node，然后放入AQS 中的队列中等待执行机会

• 同样的，AQS并没有实现 newCondition() 方法，也是需要子类自己去实现

总结：

本文内容大部分都是阅读了 <<Java 并发编程之美 >> 这本书的内容，主要讲了整个 AQS 的大致原理，和几个最重要的方法，其实整个 AQS 的源码是很复杂的，但是了解大致原理已经对我们熟悉运用那些 JUC 中的同步锁有很大的帮助。