AQS 原理

1. 前言

本節內容主要是對 AQS 原理的講解，之所以需要了解 AQS 原理，是因為后續講解的 ReentrantLock 是基于 AQS 原理的。本節內容相較于其他小節難度上會大一些，基礎薄弱的學習者可以選擇性學習本節內容或者跳過本節內容。

• 了解什么是 AQS，這是認識 AQS 原理的前提，是本節的基礎知識點；
• 了解 AQS 提供的兩種鎖功能，對其有一個全局的了解；
• 了解 AQS 的內部框架原理結構，這是本節課程的核心所在，其他所有的知識點講解都是圍繞這一知識點的；
• 釋放鎖以及添加線程對于 AQS 內部的變化，這是本節課程的重點知識，了解隊列的學習者能夠更快的掌握這部分知識；
• AQS 與 ReentrantLock 的聯系，這是本節課程與 ReentrantLock 之間的過度知識。

2. 什么是 AQS

定義：AbstarctQueuedSynchronizer 簡稱 AQS，是一個用于構建鎖和同步容器的框架。

事實上 concurrent 包內許多類都是基于 AQS 構建的，例如 ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，FutureTask 等。AQS 解決了在實現同步容器時大量的細節問題。

AQS 使用一個 FIFO 隊列表示排隊等待鎖的線程，隊列頭結點稱作 “哨兵節點” 或者 “啞結點”，它不與任何線程關聯。其他的節點與等待線程關聯，每個階段維護一個等待狀態 waitStatus。

3. AQS 提供的兩種功能

從使用層面來說，AQS 的鎖功能分為兩種：獨占鎖和共享鎖。

獨占鎖：每次只能有一個線程持有鎖，比如前面給大家演示的 ReentrantLock 就是以獨占方式實現的互斥鎖；
共享鎖：允許多個線程同時獲取鎖，并發訪問共享資源，比如 ReentrantReadWriteLock。

4. AQS 的內部實現

AQS 的實現依賴內部的同步隊列，也就是 FIFO 的雙向隊列，如果當前線程競爭鎖失敗，那么 AQS 會把當前線程以及等待狀態信息構造成一個 Node 加入到同步隊列中，同時再阻塞該線程。當獲取鎖的線程釋放鎖以后，會從隊列中喚醒一個阻塞的節點 (線程)。

如下圖所示，一個節點表示一個線程，它保存著線程的引用（thread）、狀態（waitStatus）、前驅節點（prev）、后繼節點（next），其實就是個雙端雙向鏈表，其數據結構如下：

Tips：AQS 隊列內部維護的是一個 FIFO 的雙向鏈表，這種結構的特點是每個數據結構都有兩個指針，分別指向直接的后繼節點和直接前驅節點。所以雙向鏈表可以從任意一個節點開始，很方便的訪問前驅和后繼。每個 Node 其實是由線程封裝，當線程爭搶鎖失敗后會封裝成 Node 加入到 ASQ 隊列中去。

5. 添加線程對于 AQS 隊列的變化

當出現鎖競爭以及釋放鎖的時候，AQS 同步隊列中的節點會發生變化，首先看一下添加線程的場景。

這里會涉及到兩個變化：

• 隊列操作的變化：新的線程封裝成 Node 節點追加到同步隊列中，設置 prev 節點以及修改當前節點的前置節點的 next 節點指向自己；
• tail 指向變化：通過同步器將 tail 重新指向新的尾部節點。

6. 釋放鎖移除節點對于 AQS 隊列的變化

第一個 head 節點表示獲取鎖成功的節點，當頭結點在釋放同步狀態時，會喚醒后繼節點，如果后繼節點獲得鎖成功，會把自己設置為頭結點，節點的變化過程如下：

這個過程也是涉及到兩個變化：

head 節點指向：修改 head 節點指向下一個獲得鎖的節點；
新的獲得鎖的節點：如圖所示，第二個節點被 head 指向了，此時將 prev 的指針指向 null，因為它自己本身就是第一個首節點，所以 pre 指向 null。

7. AQS 與 ReentrantLock 的聯系

ReentrantLock 實現：ReentrantLock 是根據 AQS 實現的獨占鎖，提供了兩個構造方法如下：

 public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

ReentrantLock 有三個內部類：Sync，NonfairSync，FairSync，繼承關系如下：

總結：我們可以看到，這三個內部類都是基于 AQS 進行的實現，由此可見，ReentrantLock 是基于 AQS 進行的實現。

ReentrantLock 提供兩種類型的鎖：公平鎖，非公平鎖。分別對應 FairSync，NonfairSync。默認實現是 NonFairSync。

8. 小結

本節內容為 AQS 原理進行講解，會涉及到一些原理問題，隊列問題，基礎薄弱的學習者可以跳過或者選看本節內容，不會影響后續課程的學習。本節內容其實主要為了提供原理性的知識，對本節的知識掌握，使我們不僅僅是一個使用者。