一文轻松看透AQS的核心设计思想

一、AQS是什么

AQS的完整类名是——AbstractQueuedSynchronizer（直译过来就是抽象队列同步器）。从字面上就能看出来，是专门用于实现同步功能的一个抽象框架。事实上，AQS是著名的JDK并发包设计者Doug Lea定义的一套用于控制多线程并发访问共享资源的基础框架，许多并发包工具实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock、ReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch和ThreadPoolExecutor 的 Worker。

二、为什么要使用AQS

设想一下，如果没有AQS，要实现一个锁需要如何进行？

如果没有 AQS，那么就需要开发者自己去实现以下内容，至少包括：

同步状态的原子性管理（比如锁状态的获取和释放）
线程的阻塞与唤醒
阻塞队列的管理

举个例子：实现一个类似ReentrantLock功能的可重入锁，需要一个变量维护锁被重入的次数，同时必须保证多线程同时操作该变量时是线程安全的；同时竞争锁失败的线程，可能需要让它们陷入阻塞并进行排队，同时要在合适的时机将其唤醒。
其实不只是对于锁而言，其他的进行多线程并发控制的同步组件基本都需要上述这些操作。这一系列的操作流程都是繁杂而重复的，此时AQS的意义就凸显出来了。

AQS定义好了这一套骨架流程的操作，不同的同步组件只需要继承AQS并重写指定的方法，就可以实现同步组件自身的
功能逻辑。这其实就是模板方法的思想。

总结一下，就是：同步组件是面向普通开发者的，AQS是面向同步组件开发者的。

三、AQS 的设计原理

AQS的实现源码有2000多行代码，相对还是比较复杂的。但是我们将其实现细节抛开，其实重点就围绕着以下三大部分：

state 状态
CLH队列
获取/释放

3.1 state 状态

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。它的定义如下：

    /*** The synchronization state.*/private volatile int state;

而 state可以根据具体组件类的作用不同而表示不同的含义，比如：

信号量Semaphore：state 表示剩余许可的数量。比如我们把 state 初始化设置为 5，表示许可证初始一共有5个，然后当某个线程取走1个许可证之后，这个 state 就会变为4，所以信号量的 state 相当于是一个内部计数器。
CountDownLatch ：state 表示是需要“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。
ReentrantLock ：表示的是锁的占有情况。初始化时是 0，表示没有线程占有锁；如果 state 变成了 1，则代表这个锁已经被某个线程所持有了。
ReadWriteLock：高16位表示读锁状态，低16位表示写锁状态。

下面看AQS提供的state状态的获取和变更操作：

  /*** Returns the current value of synchronization state.* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.* @return current state value*/protected final int getState() {return state;}/*** Sets the value of synchronization state.* This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.* @param newState the new state value*/protected final void setState(int newState) {state = newState;}/*** Atomically sets synchronization state to the given updated* value if the current state value equals the expected value.* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read* and write.** @param expect the expected value* @param update the new value* @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual*         value was not equal to the expected value.*/protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {// See below for intrinsics setup to support thisreturn unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);}

1.getState读取——由于state变量带有volatile关键字进行修饰，能保证内存可见性，getState方法获取就能直接最新的值。
2.setState直接写入——直接对state = newState;赋值操作，此操作一般是用于同步组件在独占之后的状态变更设置，无进行额外同步。
3.compareAndSetState(int expect, int update) CAS操作写入，借助Unsafe工具类的 CAS 操作，利用 CPU 指令的原子性保证了这个操作的原子性。

3.2 CLH队列 (FIFO)

CLH队列作用是存储竞争失败从而进入阻塞等待状态的线程。
队列内部是双向链表的结构，分别用 head 和 tail 来表示头尾节点，初始化的时候两个节点都指向了一个空节点。
头节点当做当前持有锁的线程，尾节点则是每个新的阻塞线程进来队列时要插入的位置，插入尾节点需要通过CAS进行插入操作原子性控制。

（图文引用自AQS英文文档）

3.3 同步状态的获取和释放

AQS定义了独占式获取与释放同步状态和共享式获取与释放同步状态4中操作类型，需要子类自己实现。

四、小结

本文介绍了什么AQS框架出现的背景作用以及AQS核心的设计原理。 AQS是面向同步组件开发者的基础框架，使用模板方法设计模式的思想，将同步状态的管理、阻塞队列和线程的阻塞唤醒等处理流程定义成固定的模板。组件开发者无需关注底层细节，只需要重写少数几个相关方法即可。

参考资料：AQS官方文档