精进之路之AQS及相关组件

AQS ( AbstractQueuedSynchronizer)是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

1.思维导图：

2.原理

2.1.AQS核心思想

AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

注：CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配。

AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

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

状态信息通过procted类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作

//返回同步状态的当前值 
protected final int getState() { return state; } 
// 设置同步状态的值 
protected final void setState(int newState) { state = newState; } 
//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值） 
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);

2.2 AQS 对资源的共享方式

AQS定义两种资源共享方式

    Exclusive（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：
        公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
        非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的
    Share（共享）：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。

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已经在上层已经帮我们实现好了。

2.3 AQS底层使用了模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：

    使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
    将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法：
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，成功则返回true，失败则返回false。
默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。

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(Compare and Swap)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。

3 Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问

Semaphore是一个计数信号量。
从概念上将，Semaphore包含一组许可证。
如果有需要的话，每个acquire()方法都会阻塞，直到获取一个可用的许可证。
每个release()方法都会释放持有许可证的线程，并且归还Semaphore一个可用的许可证。
然而，实际上并没有真实的许可证对象供线程使用，Semaphore只是对可用的数量进行管理维护。

synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。具体解释和应用可参见 深入浅出java Semaphore

4.CountDownLatch （倒计时器） 具体参考 https://blog.csdn.net/qq_34337272/article/details/83655291

适用场景：

比如对于马拉松比赛，进行排名计算，参赛者的排名，肯定是跑完比赛之后，进行计算得出的，翻译成Java识别的预发，就是N个线程执行操作，主线程等到N个子线程执行完毕之后，在继续往下执行。

其他参考 : https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4NDQ4MzU5OA==&mid=2247483745&idx=2&sn=6778ee954a19816310df54ef9a3c2f8a&chksm=fd985700caefde16b9970f5e093b0c140d3121fb3a8458b11871e5e9723c5fd1b5a961fd2228&token=1829606453&lang=zh_CN#rd

非常感谢原作者的分享