21. Java AQS 原理

news2024/9/21 16:16:47

1. 前言

本节内容主要是对 AQS 原理的讲解，之所以需要了解 AQS 原理，是因为后续讲解的 ReentrantLock 是基于 AQS 原理的。本节内容相较于其他小节难度上会大一些，基础薄弱的学习者可以选择性学习本节内容或者跳过本节内容。

了解什么是 AQS，这是认识 AQS 原理的前提，是本节的基础知识点；
了解 AQS 提供的两种锁功能，对其有一个全局的了解；
了解 AQS 的内部框架原理结构，这是本节课程的核心所在，其他所有的知识点讲解都是围绕这一知识点的；
释放锁以及添加线程对于 AQS 内部的变化，这是本节课程的重点知识，了解队列的学习者能够更快的掌握这部分知识；
AQS 与 ReentrantLock 的联系，这是本节课程与 ReentrantLock 之间的过度知识。

2. 什么是 AQS

定义：AbstarctQueuedSynchronizer 简称 AQS，是一个用于构建锁和同步容器的框架。

事实上 concurrent 包内许多类都是基于 AQS 构建的，例如 ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，FutureTask 等。AQS 解决了在实现同步容器时大量的细节问题。

AQS 使用一个 FIFO 队列表示排队等待锁的线程，队列头结点称作 “哨兵节点” 或者 “哑结点”，它不与任何线程关联。其他的节点与等待线程关联，每个阶段维护一个等待状态 waitStatus。

3. AQS 提供的两种功能

从使用层面来说，AQS 的锁功能分为两种：独占锁和共享锁。

独占锁：每次只能有一个线程持有锁，比如前面给大家演示的 ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁；
共享锁：允许多个线程同时获取锁，并发访问共享资源，比如 ReentrantReadWriteLock。

4. AQS 的内部实现

AQS 的实现依赖内部的同步队列，也就是 FIFO 的双向队列，如果当前线程竞争锁失败，那么 AQS 会把当前线程以及等待状态信息构造成一个 Node 加入到同步队列中，同时再阻塞该线程。当获取锁的线程释放锁以后，会从队列中唤醒一个阻塞的节点 (线程)。

如下图所示，一个节点表示一个线程，它保存着线程的引用（thread）、状态（waitStatus）、前驱节点（prev）、后继节点（next），其实就是个双端双向链表，其数据结构如下：

Tips：AQS 队列内部维护的是一个 FIFO 的双向链表，这种结构的特点是每个数据结构都有两个指针，分别指向直接的后继节点和直接前驱节点。所以双向链表可以从任意一个节点开始，很方便的访问前驱和后继。每个 Node 其实是由线程封装，当线程争抢锁失败后会封装成 Node 加入到 ASQ 队列中去。

5. 添加线程对于 AQS 队列的变化

当出现锁竞争以及释放锁的时候，AQS 同步队列中的节点会发生变化，首先看一下添加线程的场景。

这里会涉及到两个变化：

队列操作的变化：新的线程封装成 Node 节点追加到同步队列中，设置 prev 节点以及修改当前节点的前置节点的 next 节点指向自己；
tail 指向变化：通过同步器将 tail 重新指向新的尾部节点。

6. 释放锁移除节点对于 AQS 队列的变化

第一个 head 节点表示获取锁成功的节点，当头结点在释放同步状态时，会唤醒后继节点，如果后继节点获得锁成功，会把自己设置为头结点，节点的变化过程如下：

这个过程也是涉及到两个变化：

head 节点指向：修改 head 节点指向下一个获得锁的节点；
新的获得锁的节点：如图所示，第二个节点被 head 指向了，此时将 prev 的指针指向 null，因为它自己本身就是第一个首节点，所以 pre 指向 null。

7. AQS 与 ReentrantLock 的联系

ReentrantLock 实现：ReentrantLock 是根据 AQS 实现的独占锁，提供了两个构造方法如下：

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

ReentrantLock 有三个内部类：Sync，NonfairSync，FairSync，继承关系如下：