(一)认识

（1）认识

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）在 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch、ThreadPoolExcutor 的 Worker 中都有运用（JDK 1.8），AQS 是这些类的底层原理。

（2）为什么需要 AQS

在学习使用 ReentrantLock 和 Semaphore时，可以发现它们都有一个共同点，它们都可以当做一个阀门来使用，比如我们把 Semaphore 的许可证数量设置为 1，那么由于它只有一个许可证，所以只能允许一个线程通过，并且当之前的线程归还许可证后，会允许其他线程继续获得许可证。其实这点和 ReentrantLock 很像，只有一个线程能获得锁，并且当这个线程释放锁之后，会允许其他的线程获得锁。那如果线程发现当前没有额外的许可证时，或者当前得不到锁，那么线程就会被阻塞，并且等到后续有许可证或者锁释放出来后，被唤醒，所以这些环节都是比较类似的。

除了上面讲的 ReentrantLock 和 Semaphore 之外，我们会发现 CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock 等工具类都有类似的让线程“协作”的功能，其实它们背后都是利用 AQS 来实现的。

因为这些工具类所依托的都有一些基础的协作功能，所以如果能把实现类似工作的代码给提取出来，变成一个新的底层工具类（或称为框架）的话，就可以直接使用这个工具类来构建上层代码了，而这个工具类其实就是 AQS。

有了 AQS 之后，对于 ReentrantLock 和 Semaphore 等线程协作工具类而言，它们就不需要关心这么多的线程调度细节，只需要实现它们各自的设计逻辑即可。

AQS 是一个用于构建锁、同步器等线程协作工具类的框架，有了 AQS 以后，很多用于线程协作的工具类就都可以很方便的被写出来，有了 AQS 之后，可以让更上层的开发极大的减少工作量，避免重复造轮子，同时也避免了上层因处理不当而导致的线程安全问题，因为 AQS 把这些事情都做好了。总之，有了 AQS 之后，我们构建线程协作工具类就容易多了。

（二）AQS 的内部原理

AQS 最核心的三大部分就是状态、队列和锁获取/释放操作

（1）state 状态在各工具类中的应用

如果我们的 AQS 想要去管理或者想作为协作工具类的一个基础框架，那么它必然要管理一些状态，而这个状态在 AQS 内部就是用 state 变量去表示的

而 state 的含义并不是一成不变的，它会根据具体实现类的作用不同而表示不同的含义

比如说在信号量Semaphore里面，state 表示的是剩余许可证的数量。如果我们最开始把 state 设置为 10，这就代表许可证初始一共有 10 个，然后当某一个线程取走一个许可证之后，这个 state 就会变为 9，所以信号量的 state 相当于是一个内部计数器。

再比如，在 CountDownLatch 工具类里面，state 表示的是需要“倒数”的数量。一开始我们假设把它设置为 5，当每次调用 CountDown 方法时，state 就会减 1，一直减到 0 的时候就代表这个门闩被放开。

在 ReentrantLock 中它表示的是锁的占有情况。最开始是 0，表示没有任何线程占有锁；如果 state 变成 1，则就代表这个锁已经被某一个线程所持有了。

那为什么还会变成 2、3、4 呢？为什么会往上加呢？因为 ReentrantLock 是可重入的，同一个线程可以再次拥有这把锁就叫重入。如果这个锁被同一个线程多次获取，那么 state 就会逐渐的往上加，state 的值表示重入的次数。在释放的时候也是逐步递减，比如一开始是 4，释放一次就变成了 3，再释放一次变成了 2，这样进行的减操作，即便是减到 2 或者 1 了，都不代表这个锁是没有任何线程持有，只有当它减到 0 的时候，此时恢复到最开始的状态了，则代表现在没有任何线程持有这个锁了。所以，state 等于 0 表示锁不被任何线程所占有，代表这个锁当前是处于释放状态的，其他线程此时就可以来尝试获取了。

（2）AQS中state的操作

AQS中对于state 提供了俩个主要操作方法，分别是 compareAndSetState 及 setState



通过代码可以看到compareAndSetState 及 setState方法，compareAndSetState 在并发编程中广泛使用的CAS操作，AQS相当于为我们提供了这样的一个state修改值的安全操作，setState由于state是被volatile修饰的基本变量，而这里也只是一个变量赋值操作，所以这也是线程安全的

（3）FIFO 队列

AQS中维护了一个双向队列，这个队列最主要的作用是存储等待的线程。假设很多线程都想要同时抢锁，那么大部分的线程是抢不到的，那怎么去处理这些抢不到锁的线程呢？就得需要有一个队列来存放、管理它们。所以 AQS 的一大功能就是充当线程的“排队管理器”。

当多个线程去竞争同一把锁的时候，就需要用排队机制把那些没能拿到锁的线程串在一起；而当前面的线程释放锁之后，这个管理器就会挑选一个合适的线程来尝试抢刚刚释放的那把锁（取队列的第一个节点，注意不是头结点，头结点是持有锁的当前线程）。所以 AQS 就一直在维护这个队列，并把等待的线程都放到队列里面。

（4）获取锁方法

获取操作通常会依赖 state 变量的值，根据 state 值不同，协作工具类也会有不同的逻辑，并且在获取的时候也经常会阻塞。

比如 ReentrantLock 中的 lock 方法就是其中一个“获取方法”，执行时，如果发现 state 不等于 0 且当前线程不是持有锁的线程，那么就代表这个锁已经被其他线程所持有了。这个时候，当然就获取不到锁，于是就让该线程进入阻塞状态。

（5）释放方法

注意获取方法可能会让线程阻塞，比如说获取不到锁就会让线程进入阻塞状态，但是释放方法通常是不会阻塞线程的

比如在 Semaphore 信号量里面，释放就是 release 方法（包含重载方法），release() 方法的作用是去释放一个许可证，会让 state 加 1；而在 CountDownLatch 里面，释放就是 countDown 方法，作用是倒数一个数，让 state 减 1。所以也可以看出，在不同的实现类里面，他们对于 state 的操作是截然不同的，需要由每一个协作类根据自己的逻辑去具体实现。

（6）AQS 用法

如果想使用 AQS 来写一个自己的线程协作工具类，通常而言是分为以下三步，这也是 JDK 里利用 AQS 类的主要步骤：

【1】第一步，新建一个自己的线程协作工具类，在内部写一个 Sync 类，该 Sync 类继承 AbstractQueuedSynchronizer，即 AQS；

【2】第二步，想好设计的线程协作工具类的协作逻辑，在 Sync 类里，根据是否是独占，来重写对应的方法。如果是独占，则重写 tryAcquire 和 tryRelease 等方法；如果是非独占，则重写 tryAcquireShared 和 tryReleaseShared 等方法；

【3】第三步，在自己的线程协作工具类中，实现获取/释放的相关方法，并在里面调用 AQS 对应的方法，如果是独占则调用 acquire 或 release 等方法，非独占则调用 acquireShared 或 releaseShared 或 acquireSharedInterruptibly 等方法

在AQS类是抽象类，其中对于一些底层工具操作AQS已经封装好了，比如上面提及的state状态的修改,但同时也对于一些获取释放锁的操作强制要求子类去实现，上面截图中的方法，就需要实现者重写，如果不重写那么在执行中就会抛出异常，所以要求我们在继承 AQS 之后，必须把相关方法去重写、覆盖，这样未来我们写的线程协作类才能正常的运行。

（7）AQS数据结构

// 头结点，表示当前持有锁的线程
private transient volatile Node head;// 阻塞的尾节点，每个新的节点进来，都插入到最后，链表队列
private transient volatile Node tail;// 代表当前锁的状态，0代表没有被占用，大于 0 代表有线程持有当前锁
private volatile int state;// 代表当前持有独占锁的线程，对于重入锁就是通过这个字段标识判断的
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

摘录自：https://javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer

AbstractQueuedSynchronizer 的等待队列示意如图所示，注意其中阻塞队列不包含 head，head所表示的就是持有锁的线程

链表Node结构

static final class Node {// 标识节点当前在共享模式下static final Node SHARED = new Node();// 标识节点当前在独占模式下static final Node EXCLUSIVE = null;// 代码此线程取消了争抢这个锁，waitStatus的状态之一static final int CANCELLED =  1;// 其表示当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒，waitStatus的状态之一static final int SIGNAL    = -1;// 前驱节点的引用volatile Node prev;// 后继节点的引用volatile Node next;// 对应的线程对象引用volatile Thread thread;}