《多线程系列五》没人给你说的AQS，打通多线程编程

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1、AQS 是什么？

AQS 是类 AbstractQueuedSynchronizer的简称，也是常用锁的基类，比如常见的ReentrantLock，Semaphore，CountDownLatch 等等。

AQS提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架。是Java提供的一种模板，一般在现有同步器无法完成的时候可以自行扩展。当然也可以自己实现，不过既然有现成的为什么还要自己瞎鸡儿写。

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2、AQS 模型

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注意：图来自网上，具体的原地点在哪我也不知道。如果有问题可以联系我。

解释：整个模型相当于在食堂吃饭，只开了一个窗口，只有一个打饭的师傅（state），所有想要吃饭的线程必须排队等待，直到轮到自己。

AQS就是基于队列，用共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒。代码解决现实问题，现实问题催生解决方案。

3、AQS state

state 代表 共享资源和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。

state的访问方式有三种:

• getState()
• setState()
• compareAndSetState()

4、AQS 两种资源共享方式：

1.Exclusive：独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock

2.Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier。

5、模板方式实现自定义

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义时主要实现以下几种方法：

• isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
• tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
• tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
• tryAcquireShared(int)：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)：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。

　　以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

　　再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

　　一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

6、锁的分类:公平锁和非公平锁，乐观锁和悲观锁

• 公平锁：当线程A获取访问该对象，获取到锁后，此时内部存在一个计数器num+1，其他线程想访问该对象，就会进行排队等待(等待队列最前一个线程处于待唤醒状态)，直到线程A释放锁(num = 0)，此时会唤醒处于待唤醒状态的线程进行获取锁的操作，一直循环。如果线程A再次尝试获取该对象锁时，会检查该对象锁释放已经被占用，如果还是当前线程占用锁，则直接获得锁，不用进入排队。
• 非公平锁：当线程A在释放锁后，等待对象的线程会进行资源竞争，竞争成功的线程将获取该锁，其他线程继续睡眠。

　　公平锁是严格的以FIFO的方式进行锁的竞争，但是非公平锁是无序的锁竞争，刚释放锁的线程很大程度上能比较快的获取到锁，队列中的线程只能等待，所以非公平锁可能会有“饥饿”的问题。但是重复的锁获取能减小线程之间的切换，而公平锁则是严格的线程切换，这样对操作系统的影响是比较大的，所以非公平锁的吞吐量是大于公平锁的，这也是为什么JDK将非公平锁作为默认的实现。

• 悲观锁：总是假设最坏的情况，每次想要使用数据的时候就恰好别人也要修改数据，一切是以安全第一，所以在每次操作资源的时候都会先加锁，不管有没有人抢，然后独占资源。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现
• 乐观锁：乐观锁和悲观锁刚好相反，自己使用资源的时候没有人抢，所以不需要上锁。乐观锁的实现方案一般来说有两种：版本号机制 和 CAS实现 。乐观锁多适用于多度的应用类型，这样可以提高吞吐量。

7、CAS

CAS(Compare And Swap)，即比较并交换。是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。sun.misc.Unsafe 类提供了硬件级别的原子操作来实现这个CAS。java.util.concurrent 包下的大量类都使用了这个 Unsafe.java 类的CAS操作。Unsafe 包是C++的接口实现，直接可以访问计算机的内存等敏感操作，所以标记为Unsafe。

CAS 是直接调用计算机的硬件指令，是硬件级别的线程同步，也是一种乐观锁。

8、总结

从整体上说了下AQS，没有深入到代码层级，先理解思想，后看具体实现。你理解了吗？下期具体分析一个CountDownLatch 源码，从细节理解AQS。

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