AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发编程中的一个重要类，是用于实现锁和其他同步工具的基础框架。 AQS提供了一种模板方法模式，开发人员可以通过继承AQS并实现其提供的一些方法来构建自己的同步工具。 这份AQS思维导图详细介绍了AQS的实现原理，包括内部类、节点的构成、状态的使用等等。通过这份思维导图，可以更好地理解AQS在Java并发编程中的重要性和使用方法，同时对于学习并发编程有很大的帮助。

AQS

• 简介
  • AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如ReetrantLock，Semaphore等
• 核心思想
  • 如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求的资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。
  • 如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制是AQS用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中
  • CLH
    • CLH队列是一个虚拟的双向队列。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配
  • state
    • AQS使用int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改
      • private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
• 对资源的共享方式
  • 1、独占
    • 概念
      • 只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可以分为公平锁和非公平锁
    • 公平锁
      • 按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
    • 非公平锁
      • 当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的
  • 2、共享
    • 多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock
• AQS使用的模板方法
  • 概念
    • 同步器的设计是基于模板方法模式的，使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。(这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放) 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
  • 需要重写的方法
    • 1、isHeldExclusively()
      • 该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
    • 2、tryAcquire(int)
      • 独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
    • 3、tryRelease(int)
      • 独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
    • 4、tryAcquireShared(int)
      • 共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
    • 5、tryReleaseShared(int)
      • 共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
  • ReentrantLock
    • state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。 此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止，其它线程才有机会获取该锁。 当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加)，这就是可重入的概念。 但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。
• AQS的数据结构
  • 图示
  • 数据结构
    • AbstractQueuedSynchronizer类底层的数据结构是使用CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系)。
  • 原理
    • AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配
  • Sync queue
    • 概念
      • 同步队列，是双向链表，包括head节点和tail节点，head节点主要用作后续的调度
  • Condition queue
    • 概念
      • 非必须的，是一个单向链表，只有当使用Condition时，才会存在此单项链表。可能出现多个
• AQS继承关系
  • 继承
    • AbstractOwnableSynchronizer
      • 该类中，可以设置独占资源线程和获取独占资源线程。分别为setExclusiveOwnerThread与getExclusiveOwnerThread方法，这两个方法会被子类调用
  • 抽象类源码
• AQS的内部类
  • 1、Node类
    • 概念
      • 每个线程被阻塞的线程都会被封装成一个Node节点，放入队列。每个节点包含了一个Thread类型的引用，并且每个节点都存在一个状态。
    • 节点状态
      • CANCELLED
        • 值为1，表示当前线程被取消
      • SIGNAL
        • 值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，需要进行unpark操作
      • CONDITION
        • 值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition queue中
      • PROPAGATE
        • 值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够执行
      • 值为0
        • 表示当前节点在sync queue中，等待着获取锁
  • 2、ConditionObject类
    • 概念
      • 此类实现了Condition接口，Condition接口定义了条件操作规范
    • Condition接口
    • 属性
      • long serialVersionUID
        • 版本号
      • Node firstWaiter
        • condition队列的头节点
      • Node lastWaiter
        • condition队列的尾结点
    • 方法
      • Node addConditionWaiter()
        • 添加新的waiter到wait队列
      • void doSignal(Node first)
        • 删除和传输节点，直到命中未取消的节点或 空
      • void doSignalAll(Node first)
        • 删除和传输所有节点
      • void unlinkCancelledWaiters()
        • 从condition队列中清除状态为CANCEL的结点
      • final void signal()
        • 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁
      • final void signalAll()
        • 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。
      • void awaitUninterruptibly()
        • 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断
      • int checkInterruptWhileWaiting(Node node)
        • 检查中断
          • 如果发送信号前中断则返回THROW_IE
          • 如果发送信号后中断返回REINTERRUPT
          • 如果没有中断返回0
      • void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
        • 取决于入参，执行重新中断当前线程，或不执行任何操作
      • void await() throws InterruptedException
        • 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
      • long awaitNanos(long nanosTimeout)
        • 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
      • boolean awaitUntil(Date deadline)
        • 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
      • boolean await(long time, TimeUnit unit)
        • 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于: awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
      • boolean isOwnedBy(AbstractQueuedSynchronizer sync)
        • 如果此条件是由给定的同步对象创建的则返回true
      • boolean hasWaiters()
        • 查询是否有正在等待此条件的任何线程
      • int getWaitQueueLength()
        • 返回正在等待此条件的线程数估计值
      • Collection<Thread> getWaitingThreads()
        • 返回包含那些可能正在等待此条件的线程集合
• AQS属性
  • 属性
    • 1、final long serialVersionUID
      • 版本号
    • 2、volatile Node head
      • 头节点
    • 3、volatile Node tail
      • 尾结点
    • 4、volatile int state
      • 状态
    • 5、final long spinForTimeoutThreshold
      • 自旋时间
  • 静态属性
    • 1、final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe()
      • Unsafe类实例
    • 2、final long stateOffset
      • state内存偏移地址
    • 3、final long headOffset
      • head内存偏移地址
    • 4、final long tailOffset
      • state内存偏移地址
    • 5、final long waitStatusOffset
      • tail内存偏移地址
    • 6、final long nextOffset
      • next内存偏移地址
  • 静态初始化块
• AQS构造方法
  • protected AbstractQueuedSynchronizer() { }
  • 此构造方法为从抽象构造方法，供子类调用
• 类的核心方法
  • acquire方法
  • release方法
• AQS使用的模板方法
  • 概念
    • 同步器的设计是基于模板方法模式的，使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。(这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放) 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
  • 需要重写的方法
    • 1、isHeldExclusively()
      • 该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
    • 2、tryAcquire(int)
      • 独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
    • 3、tryRelease(int)
      • 独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
    • 4、tryAcquireShared(int)
      • 共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
    • 5、tryReleaseShared(int)
      • 共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
  • ReentrantLock
    • state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。 此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止，其它线程才有机会获取该锁。 当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加)，这就是可重入的概念。 但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。
• AQS的数据结构
  • 图示
  • 数据结构
    • AbstractQueuedSynchronizer类底层的数据结构是使用CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系)。
  • 原理
    • AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配
  • Sync queue
    • 概念
      • 同步队列，是双向链表，包括head节点和tail节点，head节点主要用作后续的调度
  • Condition queue
    • 概念
      • 非必须的，是一个单向链表，只有当使用Condition时，才会存在此单项链表。可能出现多个
• AQS继承关系
  • 继承
    • AbstractOwnableSynchronizer
      • 该类中，可以设置独占资源线程和获取独占资源线程。分别为setExclusiveOwnerThread与getExclusiveOwnerThread方法，这两个方法会被子类调用
  • 抽象类源码
• 类的核心方法
  • acquire方法
    • 概念
      • 该方法以独占模式获取(资源)，忽略中断，即线程在aquire过程中，中断此线程是无效的
    • 源码
    • 调用方法流程图
    • 流程详解
      • 1、调用tryAcquire方法
        • 调用此方法的线程会试图在独占模式下获取对象状态。此方法应该查询是否允许它在独占模式下获取对象状态，如果允许，则获取它
        • 在AQS源码中默认会抛出一个异常，即需要子类重写此方法完成自己的逻辑
      • 2、tryAcquire失败，调用addWaiter方法
        • 此方法完成的功能是将调用此方法的线程封装成为一个节点并放入Sync queue
      • 3、调用accquireQueued方法
        • 此方法实现Sync queue中的节点不断尝试获取资源，若成功，则返回true，否则，返回false
    • addWaiter方法详解
      • 源码
        • addWaiter方法
        • enq方法
      • 说明
        • 使用快速添加的方式往sync queue尾部添加节点。如果sync queue队列还没有初始化，则会使用enq插入队列中
        • enq会使用无限循环来确保节点的成功插入
    • acquireQueued方法详解
      • 源码
        • acquireQueued方法
        • shouldParkAfterFailedAcquire方法
        • parkAndCheckInterrupt方法
        • cancelAcquire
        • unparkSuccessor
      • 说明
        • 1、首先获取当前节点的前驱节点
        • 2、如果前驱节点是头节点并且能够获取（资源），代表该节点能够占有锁，设置头节点为当前节点
        • 3、如果前驱节点不是头节点，调用shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt
        • 4、只有当前节点的前驱节点状态为SIGNAL时，才可以对该节点封装的线程进行park操作。否则，将不能进行park操作
        • 5、cancelAcquire作用是取消当前线程对资源的获取，即设置该节点的状态为CACELLED
        • 6、unparkSuccessor作用是释放node节点的后继节点
        • node为参数，在执行完cancelAcquire方法后的效果就是unpark了s节点所包含的t4线程
      • 整体流程
        • 1、判断节点的前驱节点是否为head并且是否成功获取资源
        • 2、若步骤1均满足，则设置节点为head，之后会判断是否finally模块，然后返回
        • 3、若步骤2不满足，则判断是否需要park当前线程，是否需要park当前线程的逻辑是判断节点的前驱节点的状态是否为SIGNAL
          • 是
            • 则park当前节点
          • 否
            • 不进行park操作
        • 4、如果park了当前线程，之后某个线程对本线程unpark后，并且本线程也获得机会运行。那么，将会继续进行步骤1的判断
  • release方法
    • 概念
      • 以独占模式释放对象
    • 源码
    • 说明
      • 1、tryRelease的默认实现是抛出异常，需要具体的子类实现
      • 2、tryRelease成功，那么如果头节点不为空并且头节点的状态不为0，则释放头节点的后继节点
• AQS属性
  • 属性
    • 1、final long serialVersionUID
      • 版本号
    • 2、volatile Node head
      • 头节点
    • 3、volatile Node tail
      • 尾结点
    • 4、volatile int state
      • 状态
    • 5、final long spinForTimeoutThreshold
      • 自旋时间
  • 静态属性
    • 1、final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe()
      • Unsafe类实例
    • 2、final long stateOffset
      • state内存偏移地址
    • 3、final long headOffset
      • head内存偏移地址
    • 4、final long tailOffset
      • state内存偏移地址
    • 5、final long waitStatusOffset
      • tail内存偏移地址
    • 6、final long nextOffset
      • next内存偏移地址
  • 静态初始化块
• AQS的内部类
  • 1、Node类
    • 概念
      • 每个线程被阻塞的线程都会被封装成一个Node节点，放入队列。每个节点包含了一个Thread类型的引用，并且每个节点都存在一个状态。
    • 节点状态
      • CANCELLED
        • 值为1，表示当前线程被取消
      • SIGNAL
        • 值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，需要进行unpark操作
      • CONDITION
        • 值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition queue中
      • PROPAGATE
        • 值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够执行
      • 值为0
        • 表示当前节点在sync queue中，等待着获取锁
  • 2、ConditionObject类
    • 概念
      • 此类实现了Condition接口，Condition接口定义了条件操作规范
    • Condition接口
    • 属性
      • long serialVersionUID
        • 版本号
      • Node firstWaiter
        • condition队列的头节点
      • Node lastWaiter
        • condition队列的尾结点
    • 方法
      • Node addConditionWaiter()
        • 添加新的waiter到wait队列
      • void doSignal(Node first)
        • 删除和传输节点，直到命中未取消的节点或 空
      • void doSignalAll(Node first)
        • 删除和传输所有节点
      • void unlinkCancelledWaiters()
        • 从condition队列中清除状态为CANCEL的结点
      • final void signal()
        • 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁
      • final void signalAll()
        • 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。
      • void awaitUninterruptibly()
        • 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断
      • int checkInterruptWhileWaiting(Node node)
        • 检查中断
          • 如果发送信号前中断则返回THROW_IE
          • 如果发送信号后中断返回REINTERRUPT
          • 如果没有中断返回0
      • void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
        • 取决于入参，执行重新中断当前线程，或不执行任何操作
      • void await() throws InterruptedException
        • 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
      • long awaitNanos(long nanosTimeout)
        • 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
      • boolean awaitUntil(Date deadline)
        • 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
      • boolean await(long time, TimeUnit unit)
        • 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于: awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
      • boolean isOwnedBy(AbstractQueuedSynchronizer sync)
        • 如果此条件是由给定的同步对象创建的则返回true
      • boolean hasWaiters()
        • 查询是否有正在等待此条件的任何线程
      • int getWaitQueueLength()
        • 返回正在等待此条件的线程数估计值
      • Collection<Thread> getWaitingThreads()
        • 返回包含那些可能正在等待此条件的线程集合