听说你想学Java并发编程？先把这个学了(1) --20210602

大家好，我是指北君。

最近在学习Java并发编程，但学了很久，总觉得差点意思，因为只会使用相关工具类，却不知实现原理，有时候写出了bug也不知道啥原因，所以指北君一怒之下，决定死磕java.util .concurrent工具包下的源码！！经过一个月的熬灯夜读，指北君总于小有所成，现在决定输出这一个月的所有收获！

JUC包下的类这么多，我们先从哪个开始呢？这个答案是唯一的，那就是AQS!

前言

别急，在指北君谈AQS之前，想先问问大家知不知道并发需要关注的两个核心问题？不知道？那这个必须知道！第一个问题是互斥，即同一时间只允许一个线程访问共享资源，第二个是同步，即线程如何进行通信和协作。

那我们又是怎么解决这两个问题的呢？那就是我们大名鼎鼎的管程和信号量了！但我们今天先说说管程，为啥大家后面就知道了。

那什么是管程呢？所谓管程，就是管理共享变量以及对共享变量操作的过程，其有三种模型，分别为 Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型。目前应用最广泛的是MESA模型，而JAVA采用的也是这种MESA模型（其模型图如下图所示）：

可能这个图大家现在还看不太明白，没关系，暂时留个印象，当看完指北君AQS系列文章以后，你再回过头来看这个图，肯定秒懂！

Java中的synchronized关键字就是其管程的具体实现，当然，今天所要聊的AQS同样也是。AQS是Java并发编程的基础，只要掌握它，java.util .concurrent工具包下的大部分工具类源码你都能在10分钟内看懂，连源码都懂了，还怕不知道怎么用吗?！

所以，针对AQS，指北君将用三篇文章来讲解：

第一篇即本篇，我会将AQS做个整体的介绍，并将其基础总结成了三把斧头，有了这三把斧头，你就能快速斩获AQS

第二篇我们则讲AQS如何通过锁机制解决互斥问题

第三篇则是AQS如何通过条件变量来解决线程通信协作问题

好了，现在随着指北君开始第一篇的学习吧

AQS是什么

好了，本文的正篇正式开始。前言说了半天AQS，AQS到底是什么呢？AQS全称为AbstractQueuedSynchronizer，翻译成中文即：抽象队列同步器，它是java.util .concurrent工具包下的抽象类，也是一个模板类（设计模式中的模板模式可以了解一波），你也可以理解为为开发人员提供的一种同步框架，它已经帮我们实现了大部分公共通用逻辑，如线程入队、出队，阻塞、唤醒等，我们只需要根据我们自己的需求，实现一些特定的方法，这些方法也叫钩子方法，比如下面几个方法：

tryAcquire：独占模式下获取同步状态
tryRelease：独占模式下释放同步状态
tryAcquireShared：共享模式下获取同步状态
tryReleaseShared：共享模式下释放同步状态
isHeldExclusively：独占模式下，查看当前线程是否获取同步状态

AQS针对互斥，提供了两种模式，即独占模式和共享模式。独占模式只允许一个线程拿到锁去操作共享资源，而共享锁则有多把锁，允许多个线程同时操作共享资源，这个第二篇会详细讲解，在这之前我们需要先了解AQS的三板斧，这三个是了解AQS的基础：

状态：AQS中的所有逻辑都是依据状态state来进行的，所以它是整个类的和兴。它是被关键字volatile修饰的，保证其可见性和部分有序性
队列：一共有两种队列，同步队列和条件队列。当线程的请求在短时间内得不到满足时，线程会被包装成某种类型的数据结构放入队列中，当条件满足时则会拿出队列。
CAS：由Unsafe工具类来实现的，其操作具有原子性，AQS通过CAS和volatile来保证状态的线程安全

第一板斧：状态

private volatile int state;

状态是被volatile修饰的int类型变量，它的值代表着锁还剩多少。在独占锁模式下，只有一把锁，则state只有0和1两个值，1代表锁没被其他线程占有，目前可获取；0则代表锁已经被其他线程占有了。在共享锁模式下，state最大值就是锁的数量。

后面我们对state的修改都是通过CAS操作，所以是线程安全的。

第二板斧：队列

AQS中存在两种队列，一种叫同步队列，它是双向链表，其获取锁失败的线程会被包装成Node放入同步队列中；另一种叫条件队列，它是单向链表，线程可以调用等待方法来把自己放入条件队列，或者调用唤醒方法把条件队列的其他被包装成Node的线程移到同步队列中。这个大家如果此时看不太懂没关系，第三篇文章会详细介绍这个等待唤醒机制。我们来看看线程包装成Node的Node类：

static final class Node {
    
   // nextWaiter属性的具体值
   static final Node SHARED = new Node();
   static final Node EXCLUSIVE = null;
 
   // 锁的状态
   static final int CANCELLED =  1;
   static final int SIGNAL    = -1;
   static final int CONDITION = -2;
   static final int PROPAGATE = -3;
 	
   // 线程所处的等待锁的状态：CANCELLED，SIGNAL，CONDITION，PROPAGATE，初始化时，该值为0
   volatile int waitStatus;
 
   // 双向链表前指针和后指针
   volatile Node prev;
   volatile Node next;
  
 	 // 表示当前Node所代表的Thread
   volatile Thread thread;
 
   // 如果此属性为EXCLUSIVE，则为独占模式；为SHARED,则为共享模式
   Node nextWaiter;
 
   // 判断是否是共享模式
   final boolean isShared() {
       return nextWaiter == SHARED;
   }
 
   // 获取链表的头个节点
   final Node predecessor() throws NullPointerException {
       Node p = prev;
       if (p == null)
           throw new NullPointerException();
       else
           return p;
   }
 	 
   // 构造函数，一般用在创建head头结点时使用
   Node() {    
   }
 
 	 // 构造函数，在addWaiter方法时使用
   Node(Thread thread, Node mode) {     
       this.nextWaiter = mode;
       this.thread = thread;
   }
  
   // 构造函数，在Condition中使用
   Node(Thread thread, int waitStatus) { 
       this.waitStatus = waitStatus;
       this.thread = thread;
   }
}

指北君已经在源码上做了详细的注释，但这几个关键的属性上还是提出来单独看看。

下面四个属性是和节点相关的：

prev：双向链表的前驱节点
next：双向链表的后继节点
thread：节点所代表的线程
waitStatus：该节点线程所处的状态，即等待锁的状态

下面四个属性是waitStatus的具体状态：

CANCELLED：此节点的线程被取消了
SIGNAL：此节点的后继节点线程被挂起，需要被唤醒
CONDITION：此节点的线程在等待信号，也表明当前节点不在同步队列中，而在条件队列中
PROPAGATE：此节点下一个acquireShared应该无条件传播

关于waitStatus有几个点需要注意下：

waitStatus除了上面四个状态，还有一个隐式的状态为0，即在Node初始化的时候
在独占锁模式下，只会有到状态CANCELLED和SIGNAL。需要特别注意的是，SIGNAL它代表的不是自己线程的状态，而是它后继节点的状态，当一个节点waitStatus为SIGNAL时，意味着此节点的后继节点被挂起，当此节点释放锁或者被取消拿锁，应该要唤醒后继节点
在共享锁模式下，只会用到状态CANCELLED和PROPAGATE

第三板斧：CAS

CAS又叫比较交换操作，它是Unsafe类中compareAndSwapXXX方法，我通过下面的例子做个简单的介绍：

unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);

CAS执行时，会拿地址tailOffset上的值与expect做比较，如果相同，则会将地址上的值更新为update，并返回true，否则直接返回false。

了解了CAS的基本例子后，我们看下AQS中CAS相关的代码：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// state、head、tail，waitStatus、next的偏移量
private static final long stateOffset;
private static final long headOffset;
private static final long tailOffset;
private static final long waitStatusOffset;
private static final long nextOffset;

// 静态代码块，初始化五个偏移量
static {
   try {
       stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
       headOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
       tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
       waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
       nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
           (Node.class.getDeclaredField("next"));
 
   } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
 
// 下面5个方法都是CAS操作了
// cas操作 state
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

// cas操作 head
private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
   return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
}
 
// cas操作 tail
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
   return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}
 
// cas操作 waitStatus
private static final boolean compareAndSetWaitStatus(Node node, int expect, int update) {
   return unsafe.compareAndSwapInt(node, waitStatusOffset, expect, update);
}

// cas操作 nextOffset
private static final boolean compareAndSetNext(Node node, Node expect, Node update) {
   return unsafe.compareAndSwapObject(node, nextOffset, expect, update);
}

我们说第二板斧的时候说过，其五个属性state、head、tail，waitStatus、next都是被volatile修饰的，所以CAS对其操作能保证其线程安全，因此也可以猜到这些属性肯定是多线程争着修改的目标。静态块里则是对这五个属性偏移量进行初始化。

总结

AQS的三板斧就介绍完啦，我们再来简单回顾下：

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是java.util .concurrent工具包下的抽象类，它通过实现MESA管程来解决并发领域中的同步与互斥问题。AQS实现中最重要的三点就是状态、CAS和队列，我们也称之为AQS的三板斧。AQS的一切操作都是依据状态state来的，它是被volatile修饰的全局变量，因此我们通过CAS操作使其线程安全。队列是维护阻塞等待线程的容器，所有未获得锁或被要求等待的线程都会被包装成Node放入队列中。

AQS第一篇就到这里了，这篇是AQS的基础，而后面指北君会通过另外两篇文章具体介绍AQS是如何解决并发领域中的互斥和同步问题的，敬请期待~