java并发：AQS

AQS是一个FIFO的双向队列，其内部通过head和tail记录队首和队尾元素，队列元素的类型为 Node。

Node

Node 中的 thread变量用来存放进入 AQS 队列的线程；

Node 中的 SHARED 用来标记该线程是获取共享资源时被阻塞挂起后放入 AQS 队列的；EXCLUSIVE 用来标记该线程是获取独占资源时被阻塞挂起后放入 AQS 队列的；

waitStatus 记录当前线程等待状态，可以为：CANCELLED (线程被取消了)、SIGNAL (线程需要被唤醒)、CONDITION (线程在条件队列里面等待〉、PROPAGATE (释放共享资源时需要通知其他节点）；

prev 记录当前节点的前驱节点；next 记录当前节点的后继节点

ConditionObject

AQS 的内部类 ConditionObject 结合锁实现线程同步。

 

ConditionObject 可以直接访问 AQS对象内部的变量，比如 state 和 AQS 队列。

ConditionObject 是条件变量，每个条件变量在内部维护了一个条件队列 (单向链表队列)，这个条件队列和 AQS 队列不是一回事。

此处的队列是用来存放调用条件变量的 await 方法后被阻塞的线程，队列的头、尾元素分别为 firstWaiter 和 lastWaiter。

Note：

调用条件变量的 await()方法就相当于调用共享变量的 wait()方法，调用条件变量的 signal方法就相当于调用共享变量的 notify()方法，调用条件变量的 signa!All ( )方法就相当于调用共享变量的 notifyAll()方法。

至此，相信大家都已经知道条件变量是什么了，它能用来做什么。 

示例

示例中(2)处使用Lock 对象的 newCondition ()方法创建了一个 ConditionObject 变量，该变量就是 Lock锁对应的一个条件变量。

示例中(3)处获取了独占锁，示例中(4)处则调用了条件变量的 await ()方法阻塞挂起了当前线程。

当其他线程调用条件变量的 signal方法时，被阻塞的线程才会从 await处返回。

Note：

在调用条件变量的 signal 和 await方法前必须先获取条件变量对应的锁，如果在没有获取到锁之前调用了条件变量的 await方法则会抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException异常。

一个 Lock对象可以创建多个条件变量。

AQS 只提供了 ConditionObject 的实现，并没有提供 newCondition 函数，该函数用来 new 一个 ConditionObject对象；需要由 AQS 的子类来实现 newCondition 函数。 

小结：

下图反映了前面描述的关系：

详解：

当多个线程同时调用 lock.lock()方法获取锁时，只有一个线程获取到了锁，其他线程会被转换为 Node 节点插入到 lock 锁对应的 AQS 阻塞队列里面，并做自旋 CAS 尝试获取锁。

如果获取到锁的线程调用了对应条件变量的 await()方法，则该线程会释放获取到的锁，并被转换为 Node 节点插入到条件变量对应的条件队列里面。

此时因调用 lock.lock() 方法被阻塞到 AQS 队列里面的一个线程会获取到被释放的锁，如果该线程也调用了条件变量的 await ()方法则该线程也会被放入条件变量的条件队列里面。

当另外一个线程调用条件变量的 signal()或者 signa!All()方法时，会把条件队列里面的一个或者全部 Node节点移动到 AQS 的阻塞队列里面，等待时机获取锁。

state

在 AQS 中维持了一个状态值 state，可以通过 getState、setState、compareAndSetState 函数修改其值，代码如下：

    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

    /**
     * Returns the current value of synchronization state.
     * This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.
     * @return current state value
     */
    protected final int getState() {
        return state;
    }

    /**
     * Sets the value of synchronization state.
     * This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
     * @param newState the new state value
     */
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

    /**
     * Atomically sets synchronization state to the given updated
     * value if the current state value equals the expected value.
     * This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
     * and write.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual
     *         value was not equal to the expected value.
     */
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return STATE.compareAndSet(this, expect, update);
    }

对于 AQS 来说，线程同步的关键是对 state 进行操作。

根据 state 是否属于一个线程，操作 state 的方式分为独占方式和共享方式。

独占方式

使用独占方式获取的资源是与具体线程绑定的，也就是说如果一个线程获取到了资源，则进行标记，其他线程尝试操作 state 获取资源时会发现当前该资源的持有者不是自己，于是在获取失败后被阻塞。

例子：独占锁 ReentrantLock 的实现

当一个线程获取了Reer rantLock的锁后，在 AQS 内部会使用 CAS 操作把状态值 state 从0 变为 1，然后设置当前锁的持有者为当前线程，当该线程再次获取锁时发现它就是锁的持有者，则把状态值从 l 变为 2，也就是设置可重入次数，而当另外一个线程获取锁时发现自己不是该锁的持有者就会被放入 AQS 阻塞队列后挂起。

在独占方式下获取和释放资源的方法为：

    /**
     * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
     * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
     * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
     * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
     * #tryAcquire} until success.  This method can be used
     * to implement method {@link Lock#lock}.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     */
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

    /**
     * Acquires in exclusive mode, aborting if interrupted.
     * Implemented by first checking interrupt status, then invoking
     * at least once {@link #tryAcquire}, returning on
     * success.  Otherwise the thread is queued, possibly repeatedly
     * blocking and unblocking, invoking {@link #tryAcquire}
     * until success or the thread is interrupted.  This method can be
     * used to implement method {@link Lock#lockInterruptibly}.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     * @throws InterruptedException if the current thread is interrupted
     */
    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

    /**
     * Releases in exclusive mode.  Implemented by unblocking one or
     * more threads if {@link #tryRelease} returns true.
     * This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.
     *
     * @param arg the release argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     * @return the value returned from {@link #tryRelease}
     */
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

共享方式

使用共享方式获取资源与具体线程不相关；当多个线程去请求资源时通过 CAS 方式竞争。

当一个线程获取到资源后，另一个线程尝试获取资源时，如果当前资源能满足它的需要，则当前线程只需要使用 CAS 方式进行获取即可。

例子：Semaphore 信号量

当一个线程通过 acquire()方法获取信号量时，会首先看当前信号量个数是否满足需要，不满足则把当前线程放入阻塞队列，如果满足则通过自旋 CAS 获取信号量。

在共享方式下获取和释放资源的方法为：

    /**
     * Acquires in shared mode, ignoring interrupts.  Implemented by
     * first invoking at least once {@link #tryAcquireShared},
     * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
     * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
     * #tryAcquireShared} until success.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquireShared} but is otherwise uninterpreted
     *        and can represent anything you like.
     */
    public final void acquireShared(int arg) {
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireShared(arg);
    }

    /**
     * Acquires in shared mode, aborting if interrupted.  Implemented
     * by first checking interrupt status, then invoking at least once
     * {@link #tryAcquireShared}, returning on success.  Otherwise the
     * thread is queued, possibly repeatedly blocking and unblocking,
     * invoking {@link #tryAcquireShared} until success or the thread
     * is interrupted.
     * @param arg the acquire argument.
     * This value is conveyed to {@link #tryAcquireShared} but is
     * otherwise uninterpreted and can represent anything
     * you like.
     * @throws InterruptedException if the current thread is interrupted
     */
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

    /**
     * Releases in shared mode.  Implemented by unblocking one or more
     * threads if {@link #tryReleaseShared} returns true.
     *
     * @param arg the release argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryReleaseShared} but is otherwise uninterpreted
     *        and can represent anything you like.
     * @return the value returned from {@link #tryReleaseShared}
     */
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

Note：

AQS是锁和同步容器的基础框架，AQS并没有提供可用的tryAcquire和tryRelease方法。

tryAcquire和 tryRelease需要由具体的子类来实现。

子类在实现 tryAcquire和 tryRelease时要根据具体场景使用 CAS算法尝试修改 state状态值， 成功则返回 true，否则返回 false。

子类还需要定义在调用 acquire 和 release 方法时状态值 state 的增减代表什么含义。 

例子：

继承自 AQS 实现的独占锁 ReentrantLock，定义当 status 为 0 时表示锁空闲，为 1 时表示锁己经被占用。

故其在重写 tryAcquire 时，需要使用 CAS 算法查看当前 state 是否为 0，如果为 0 则使用 CAS 设置为 1，并设置当前锁的持有者为当前线程，而后返回true；如果 CAS 失败则返回 false。

同理，tryAcquireShared 和 tryReleaseShared 也需要由具体的子类来实现。

例子：

继承自 AQS 实现的读写锁 ReentrantReadWriteLock，读锁在重写 tryAcquireShared 时，首先查看写锁是否被其他线程持有，如果是则直接返回 false； 否则使用 CAS 递增 state 的高 16 位。

(在 ReentrantReadWriteLock 中， state 的高 16 位为获取读锁的次数) 

 

基于 AQS 实现的锁除了需要重写上面介绍的方法外，还需要重写 isHeldExclusively 方法，来判断锁是被当前线程独占还是被共享。

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问题：带有 Interruptibly关键字的函数和不带该关键字的函数有什么区别? 

不带 Intenuptibly 关键字的方法意思是不对中断进行响应。

详解：线程在调用不带 Interruptibly 关键字的方法获取资源时或者获取资源失败被挂起时，其他线程中断了该线程，则该线程不会因为被中断而抛出异常，它还是继续获取资源或者被挂起，也就是说不对中断进行响应，忽略中断。

带 Interruptibly关键字的方法要对中断进行响应。

详解：线程在调用带 Interruptibly 关键字的方法获取资源时或者获取资源失败被挂起时，其他线程中断了该线程，则该线程抛出 InterruptedException 异常而返回。