AQS
AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 的缩写，即 抽象队列同步器，是 Java.util.concurrent 中的一个基础工具类，用于实现同步器（Synchronizer）的开发。
AQS 提供了一种实现锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的同步器，使得开发者能够更方便地编写线程安全的代码。
AQS 的使用涉及到复杂的同步机制和多线程协调，需要仔细考虑并发控制的细节。通常情况下，直接使用基于 AQS 实现的高级同步器（如 ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask、CountDownLatch 等）更为常见，而不需要直接使用 AQS。
AQS 的数据结构
AQS 内部使用了一个先进先出（FIFO）的 双端队列，被称为，被称为 CLH 队列（Craig, Landin, and Hagersten queues）。它并不直接储存线程，而是储存拥有线程的 Node 节点。
使用了两个虚拟的引用 head 和 tail 用于标识队列的头部和尾部，管理等待线程。
它的实现方式和普通的双端队列略有不同，主要涉及到以下两个方面：
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节点的处理方式：在 CLH 队列中，每个 Node 都代表了一个等待线程，同时它还包含一个
state属性。当一个线程尝试获取同步状态时，它会创建一个节点插入到 CLH 队列的尾部，然后自旋等待获取同步状态。当同步状态可用时，AQS 会使用 CAS 操作将当前头结点改为自己，并返回原头结点，从而唤醒自己。
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队列的管理方式：CLH 队列采用的是轻量级锁的思路，当一个线程到达尾节点时它只需自旋等待即可。此时，节点的
state属性会发挥重要作用，它能够指示当前节点是处于等待还是已经被唤醒出队并不再使用，从而避免了队列中节点的浪费。
![![[Craig, Landin, and Hagersten queues.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/55c1741e1fb24daead67411f3a20e631.png)
AQS 内部使用了一个 [[JMM Java内存模型#volatile|volatile]] 的变量 state 来作为资源的标识。同时定义了几个获取和改变 state 的 [[Protected]] 方法 getState()、setState()、compareAndSetState()，均为原子操作，子类可以覆盖这些方法来实现自己的逻辑。
compareAndSetState 的实现依赖于 [[实现线程安全#Unsafe 类|Unsafe]] 的 compareAndSwapInt() 方法
线程的 Node 节点
![![[AQS Node Source Code.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/59ac983d2f294d88b450a6b22ac6e04f.png)
waitStatus 用来标记当前节点的状态：
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CANCELLED：表示当前节点（对应的线程）已被取消。当等待超时或被中断，会触发进入为此状态，进入该状态后节点状态不再变化； -
SIGNAL：后面节点等待当前节点唤醒； -
CONDITION：Condition类 中使用，当前线程阻塞在Condition，如果其他线程调用了 Condition 的signal方法，这个节点将从等待队列转移到同步队列队尾，等待获取同步锁； -
PROPAGATE：共享模式，前置节点唤醒后面节点后，唤醒操作无条件传播下去； -
0：中间状态，当前节点后面的节点已经唤醒，但是当前节点线程还没有执行完成。
实现队列
通过 Node 可以实现两种队列：
-
通过 prev 和 next 实现 CLH 队列。
在 CLH 锁中，每个等待的线程都会有一个关联的 Node，每个 Node 有一个 prev 和 next 指针。当一个线程尝试获取锁并失败时，它会将自己添加到队列的尾部并自旋，等待前一个节点的线程释放锁。
![![[CLTLock instance.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/33fcfb54084747458866590a07e7c27b.png)
- 通过
nextWaiter实现Condition上的等待线程队列（单向队列），这个 Condition 主要用在ReentrantLock类中
常用方法
AQS 主要提供了以下几个重要方法（均为 protected）：
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isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到Condition类才需要去实现它。 -
acquire(int arg)：尝试获取资源，如果获取失败则等待，直到成功获取同步状态或被中断。 -
release(int arg)：释放资源，唤醒等待队列中的其他线程。 -
tryAcquire(int arg)：独占方式，尝试获取资源，成功返回 true，失败返回 false。 -
tryRelease(int arg)：独占方式，尝试释放资源，成功返回 true，失败返回 false。 -
tryAcquireShared(int arg)：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。 -
tryReleaseShared(int arg)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回 true，否则返回 false。
arg 为要 获取/释放 的资源个数，在独占模式下始终为 1
这些方法虽然都是 protected 的，但是它们并没有在 AQS 具体实现，而是直接抛出异常：
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
这里不使用抽象方法的目的是：避免强迫子类中把所有的抽象方法都实现一遍，减少无用功，这样子类只需要实现自己关心的抽象方法即可，如 信号 Semaphoreopen 只需要实现 tryAcquire 方法而不用实现其余不需要用到的模版方法
设计思想
AQS 的设计思想是基于模板方法模式，它将同步器的核心操作定义为抽象方法，由子类去实现具体细节。AQS 内部维护了一个等待队列，用于管理等待获取同步状态的线程。
AQS 通过 CAS（Compare and Swap）操作、队列等待、线程阻塞等机制来实现线程的协作和同步。
获取资源
获取资源的入口是 acquire(int arg) 方法
![![[AQS accquire source code.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/6af153a9f58746a583adcc2e0a410b12.png)
首先调用 tryAcquire 尝试去获取资源，如果获取资源失败，就通过 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 方法把这个线程插入到等待队列（在队列的尾部插入新的 Node 节点）中。其中传入的参数代表要插入的 Node 是独占式的。通过 CAS 自旋的方式保证操作的线程安全性。
之后，处于等待队列的 Node 从头结点一个一个去获取资源。
![![[AQS acquire resource.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/d71d8f883630440db03af267d3786904.png)
此外，还可以通过如下方法获取资源：
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acquireInterruptibly：申请可中断（在线程中断时可能会抛出InterruptedException）的资源（独占模式） -
acquireShared：申请共享模式的资源 -
acquireSharedInterruptibly：申请可中断的资源（共享模式）
释放资源
释放资源相比于获取资源要简单得多
在 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock 的实现中，tryRelease(arg) 会减少持有锁的数量，如果持有锁的数量变为0，释放锁并返回 true。
如果 tryRelease(arg) 成功释放了锁，那么接下来会检查队列的头结点。如果头结点存在并且 waitStatus 不为0（这意味着有线程在等待），那么会调用 unparkSuccessor(Node h) 方法来唤醒等待的线程。
AQS实现自定义锁
下面是一个简单的示例，展示如何使用 AQS 来实现一个自定义的可重入锁。
这个简单的锁实现没有考虑重入性和公平性等问题，实际应用中可能还需要更复杂的逻辑来满足更高级的需求。
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
public class CustomReentrantLock implements Lock {
private final Sync sync = new Sync();
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
return compareAndSetState(0, 1);
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
setState(0);
return true;
}
Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
代码说明：
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CustomReentrantLock 类实现了
Lock接口，提供了锁的基本操作。 -
Sync 类继承自
AbstractQueuedSynchronizer，并重写了tryAcquire和tryRelease方法来控制锁的状态。tryAcquire: 尝试获取锁，通过compareAndSetState方法原子地更新状态值。如果当前状态为0（表示锁未被持有），则设置状态为1并返回true，否则返回false。tryRelease: 释放锁，简单地将状态设置为0。
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lock/unlock 方法: 使用
sync实例来调用AbstractQueuedSynchronizer中定义的acquire和release方法。 -
Condition: 通过
newCondition方法创建条件变量。
AQLS
AQS 里面的“资源”是用一个 int 类型的数据来表示的，有时候业务需求的资源数超出了 int 的范围，所以在 JDK 1.6 中，多了一个 AQLS（AbstractQueuedLongSynchronizer）。它的代码跟 AQS 几乎一样，只是把资源的类型变成了 long 类型。
AOS
AQS 和 AQLS 都继承了一个类 AOS（AbstractOwnableSynchronizer）。这个类于 JDK 1.6 引入。用于表示锁与持有者之间的关系（独占模式）
![![[AbstractOwnableSynchronizer.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/ce4d38cced3041d2a9d73e84e8e936ca.png)
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字段：
private transient Thread exclusiveOwnerThread;：这个字段用于存储当前独占访问权的线程。由于它是transient的，因此在序列化时不会被保存。
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方法：
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protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread);：此方法用于设置当前拥有独占访问权的线程。如果传入null，则表示没有线程拥有访问权。 -
protected final Thread getExclusiveOwnerThread();：此方法返回最后通过setExclusiveOwnerThread方法设置的线程，如果没有设置过，则返回null。
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AbstractOwnableSynchronizer 提供了一种机制来允许线程独占某个资源或同步器，通常被用作创建锁和其他同步器的基类。例如，在Java的 ReentrantLock 类中，就使用了 AbstractOwnableSynchronizer 来跟踪哪个线程当前拥有锁。这使得 ReentrantLock 能够支持重入性，即同一个线程可以多次获得同一个锁。
