Java 并发编程AQS基本介绍

what-什么是AQS?

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。直译就是“抽象队列同步器”。
它定义了一套多线程访问共享资源的同步框架，需要同步类实现都依赖于它，如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock、CountDownLath、CyclicBarrier等

why-为什么需要AQS？

如果不用AQS，也能实现同步器。例如可以用重入锁实现信号量或信号量实现重入锁。但是这样做起来相互调用，相互为底层，会带来复杂性、开销及不灵活。
如果同样的效果但能够比其它形式更加的简洁，那么开发者就会统一用一个底层的同步框架来构建同步器，因此AQS就诞生了。
其中在j.u.c包中大部分的类都是基于AQS实现的，用户也可以自定义自己的同步器，基于AQS这个基础组件可以构建j.u.c的各种工具类

how-AQS的设计和结构

具体的结构如图所示：

• 它维护了一个volatile int state（代表共享资源）
• 一个FIFO的线程等待队列（多线程资源争用被阻塞的时候会进入此队列）
• CLH队列是一个锁模型，是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列示例，仅存在节点之间的关联关系），AQS就是用CLH队列锁实现的

基本流程如下：

1. 多线程请求资源过程中（acquire）：
   • 如果被请求的共享资源空闲，则讲当前的请求资源的线程设为有效的工作线程，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，那么就将获取不到锁的线程加入FIFO队列中（队尾）
2. 对于获取锁的线程，移出等待队列（release）：
   • 更新同步器的状态
   • 如果新的状态允许某个被阻塞的线程获取成功则解除队列中一个或多个线程的阻塞状态

AQS的主要数据结构

同步器状态的原子性管理

// 共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
private volatile int state;

// 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;
} 
// 原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
	return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

在j.u.c中的做法如源码所示，将state声明为volatile，并且通过CAS指令实现原子更新，这样就达到了同步状态的原子性管理，确保了同步状态的原子性、可见性、有序性。

线程阻塞与解除阻塞

在之前，线程的阻塞与解除线程阻塞都是基于java的内置管程，没有其它非基于Java内置管程的API可以用来达到阻塞线程和解除线程阻塞。唯一可以选择的是Thread.suspend和Thread.resume，但是他们无法解决竞态问题，所以没办法使用，已被抛弃（官方抛弃原因答复）

后来到JDK1.6中，j.u.c.locks包提供了LockSupport类来解决上述问题。
方法LockSupport.park阻塞当前线直到有LockSupport.unpack方法被调用才会继续执行。
LockSupport具有如下特性：

1. unpark调用没有被计数，在一次park调用之前可以多次调用unpark，最终只会解除一个unpark操作。
2. park、unpark是作用于每个线程而不是每个同步器
3. park方法支持超时设置、响应Thread.interrupt，可以通过中断来unpark一个线程
   

同步队列

AQS的核心其实就是如何管理线程阻塞队列，该队列是严格的FIFO队列，所以线程的优先级设置在对队列中无效。

在业界中，实现同步队列的主要有两种选择：CLH锁和MCS锁，其中CLH一般用于自旋，相比于MCS，CLH更加容易实现取消和超时，所以AQS同步队列选择CLH作为实现基础，也可以说AQS是CLH的一个变种

队列的入队、出队过程

首先我们来看下在队列中Node节点的数据结构：

可以看出线程是包含在Node节点中，同时记录着上一个节点和下一个节点的引用

默认的AQS的head和tail都指向一个空节点：

入队操作：
当有新的等待节点入队时，由于CLH是FIFO队列，故在当前队列的尾节点插入。在加入队列这个操作中，同时可能有多个node需要加入，所以一定要保证线程安全，因此同步器提供了一个CAS方法，它需要传递当前线程期待的尾节点和当前节点，只有符合要求才会设置成功

出队操作：
同因为是FIFO，获取到AQS同步状态的必然是首节点，当首节点的线程释放同步状态时，会唤醒后续节点，而后续节点会在获取AQS同步状态成功的时候将自己设置为首节点。设置首节点的动作是由获取到同步状态成功的线程来完成。

这里好像没有CAS操作？确实没有，因为每次只有一个线程能够成功获取到同步状态，所以不需要像入队那样做CAS操作

条件队列

AQS除了同步队列，还包含一个条件队列。AQS只有一个同步队列，但可以有多个条件队列。条件队列指的是ConditionObject类，主要是给维护独占同步的类以及实现Lock接口的类使用

ConditionObject类实现了Condition接口，而Condition接口提供了类似Object管程式的方法，如await、signal、singnalAll操作，还扩展了带有超时、检测和监控的方法。

和Object.wait、notify、notifyAll区别？

1. 对于操作ConditionObject，要当前线程持有锁且要操作的条件（Condition）属于该锁，condition操作才是合法的，ConditionObject关联ReentrantLock后的表现和Object内置的方法基本一样
2. 区别还有：ConditionObject的方法名称、额外的功能、用户可以为每个锁声明多个条件

条件队列移动到同步队列（signal）

如图所示，条件队列有自己单独的队列进行管理。当调用signal操作时，将条件队列中的节点从条件队列转移到同步队列中

同步队列移动到条件队列（await）

await操作就是当前线程节点同同步队列进入条件队列进行等待，大致示意图如下：

在同步队列中释放节点，让后将节点添加到条件队列的队尾中。

因条件超时或Thread.interrupt导致取消了条件等待await如何处理？
在JSR133修订后，最终规则如下：

1. 如果中断发生在signal操作之前，await必须要在重新获取到锁后抛出InterruptedException
2. 如果中断发生在signal之后，await必须返回且不抛异常，同时设置程序的中断状态

AQS的两种资源共享方式

独占资源（Exclusive）

同时只有一个线程能执行，如ReentrantLock。其中获取同步状态的方式又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，后到者后拿到锁
• 非公平锁：当线程要获取锁时，无视等待队列直接去尝试抢锁，谁抢到就是谁的。如果没有抢到则乖乖去排队等待（公平锁）

共享资源（Share）

同时可以有多个线程获取锁执行，如Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier、ReadWriteLock的Read锁

扩展

AQS的主要方法及其作用

看到这，我们对AQS的数据结构应该基本上有一个大致的认识

什么是SMP架构、NUMA架构？什么是CLH锁模型、MCS锁模型？

• SMP（Symmetric Multi-Processor）多处理器结构
  
  对称多处理器结构，指服务器中多个CPU对称工作，每个CPU访问内存地址所需时间相同。其主要特征是共享，包含对CPU，内存，I/O等进行共享。

  SMP能够保证内存一致性，但这些共享的资源很可能成为性能瓶颈，随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，可能导致内存访问冲突，可能会导致CPU资源的浪费。常用的PC机就属于这种。

• NUMA（Non-Uniform Memory Access）非一致存储访问结构
  
  非一致存储访问，将CPU分为CPU模块，每个CPU模块由多个CPU组成，并且具有独立的本地内存、I/O槽口等，模块之间可以通过互联模块相互访问，

  访问本地内存的速度将远远高于访问远地内存(系统内其它节点的内存)的速度，这也是非一致存储访问的由来。NUMA较好地解决SMP的扩展问题，

  当CPU数量增加时，因为访问远地内存的延时远远超过本地内存，系统性能无法线性增加。

• MPP（Massive Parallel Processing）海量并行处理结构
  
  与NUMA架构类似，区别在于每一个模块都是一个节点，每个节点通过互联网络进行连接、协同工作完成任务，在用户交互来看就是一个服务器系统（就是分布式）

• 什么是CLH锁模型（Craig, Landin, and Hagersten locks）（助记词：吃了哈）
  
  是一个自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。

  CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。
  由于自旋过程中，监控的时前置节点的变量，因此在SMP架构的共享内容模式中能够更好的提供性能

• 什么是MCS锁模型 （John Mellor-Crummey and Michael Scott）（助记词：买CS）
  

  与CLH最大的不同并不是链表是显示还是隐式，而是线程自旋的规则不同：CLH是在前趋结点的locked域上自旋等待，而MCS是在自己的结点的locked域上自旋等待。正因为如此，它解决了CLH在NUMA系统架构中获取locked域状态内存过远的问题。

总结来说，AQS中的链表就是为了实现上面介绍的模型，它是针对CLH锁模型的一个变种

总结

本文介绍了什么是AQS以及它的作用、基本的数据结构、AQS的运行原理等内容。在之后的文章中将会对AQS源码进行深入分析