Java 中 AQS 的实现原理

AQS 简介

AQS(全称AbstractQueuedSynchronizer)即抽象同步队列，它是实现同步器的基础组件，并发包中锁的底层就是使用AQS实现的。

由类图可以看到，AQS是一个FIFO的双向队列，其内部通过节点head和tail记录队首和队尾元素，队列元素的类型为Node。

• 其中Node中的thread变量用来存放进入AQS队列里面的线程。

  • prev记录当前节点的前驱节点

  • next记录当前节点的后继节点

• Node节点内部的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用来标记线程是获取独占资源时被挂起后放入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）。

在AQS中维持了一个单一的状态信息state，可以通过getState、setState、compareAndSetState函数修改其值。对于ReentrantLock的实现来说，state可以用来表示当前线程获取锁的可重入次数。

AQS 实现原理

AQS 依赖内部的同步队列实现，也就是FIFO双向队列，负责管理着线程同步时所有被阻塞的线程。

AQS队列内部维护的是一个双向链表，这种结构每个数据都有两个指针，分别指向当前节点的前驱节点和后继节点。当线程抢占锁失败的时候，会把当前线程封装成Node加入到AQS中去。

场景一：线程抢占锁失败时，AQS 的变化

1.AQS 的 head，tail分别是同步队列的头节点和尾节点，默认为 null。

2.当第一个线程抢夺锁失败，同步队列会先初始化，随后线程会被封装成Node节点追加到AQS队列中。假设当前独占锁的线程为ThreadA，抢占锁失败的线程为ThreadB。

• 同步队列初始化，首先会在队列中添加一个空Node，这个节点中的thread=null，代表当前获取锁成功的线程。随后，AQS的head和tail会同时指向这个节点。
  
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• 接下来将ThreadB封装成Node节点，追加到AQS队列。设置新节点的prev指向AQS队尾节点；将队尾节点的next指向新节点；最后将AQS尾节点指针指向新节点。此时AQS变化，如下图：
  

3.当下一个线程抢夺锁失败时，重复上面步骤。将线程封装成Node，追加到AQS队列。假设此次抢占锁失败的线程为ThreadC，此时AQS变化，如下图：

线程被唤醒时，AQS 队列的变化

ReentrantLock 唤醒阻塞线程时，会按照FIFO的原则从AQS中head头部开始唤醒首个节点中线程。

head节点表示当前获取锁成功的线程ThreadA节点。

当ThreadA释放锁时，它会唤醒后继节点线程ThreadB，ThreadB开始尝试获得锁，如果ThreadB获得锁成功，会将自己设置为AQS的头节点。ThreadB获取锁成功后，AQS变化如下：

1. head指针指向ThreadB节点。

2. 将原来头节点的next指向Null，从AQS中删除。

3. 将ThreadB节点的prev指向Null，设置节点的thread=null。
   
   上面就是线程在竞争锁时，线程被阻塞和被唤醒时AQS 队列的基本实现过程。