【Java】J.U.C并发包 - AQS机制

Java并发包（java.util.concurrent）中提供了很多并发工具，这其中，很多我们耳熟能详的并发工具，譬如ReentrantLock、Semaphore，CountDownLatch，CyclicBarrier，它们的实现都用到了一个共同的基类 - AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS。AQS提供了一种原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。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。

同步器背后的基本思想非常简单，可以参考AQS作者 Doug Lea 的论文：The java.util.concurrent Synchronizer Framework。同步器一般包含两种方法，一种是acquire，另一种是release。

• acquire操作阻塞调用的线程，直到同步状态允许其继续执行。
• release操作则是改变同步状态，使得一或多个被acquire阻塞的线程继续执行。

其中acquire操作伪代码如下：

while (synchronization state does not allow acquire) {
	enqueue current thread if not already queued;
	possibly block current thread;
}
dequeue current thread if it was queued;

release操作伪代码如下：

update synchronization state;
if (state may permit a blocked thread to acquire)
	unblock one or more queued threads;

为了实现上述操作，需要下面三个基本组件的相互协作：

• 同步状态的原子性管理；
• 线程的阻塞与解除阻塞；
• 队列的管理；

AQS框架借助于两个类：Unsafe(提供CAS操作) 和 LockSupport(提供park/unpark操作)。

1. 同步状态的原子性管理

AQS类使用单个int（32位）来保存同步状态，并暴露出getState、setState以及compareAndSet操作来读取和更新这个状态。该整数可以表现任何状态。比如， Semaphore 用它来表现剩余的许可数，ReentrantLock 用它来表现拥有它的线程已经请求了多少次锁；FutureTask 用它来表现任务的状态(尚未开始、运行、完成和取消)。

如JDK的文档中所说，使用AQS来实现一个同步器需要覆盖实现如下几个方法，并且使用getState，setState，compareAndSetState这几个方法来设置或者获取状态。

• boolean tryAcquire(int arg)

• boolean tryRelease(int arg)

• int tryAcquireShared(int arg)

• boolean tryReleaseShared(int arg)

• boolean isHeldExclusively()

以上方法不需要全部实现，根据获取的锁的种类可以选择实现不同的方法，支持独占(排他)获取锁的同步器应该实现tryAcquire、 tryRelease、isHeldExclusively而支持共享获取的同步器应该实现tryAcquireShared、tryReleaseShared、isHeldExclusively。下面以 CountDownLatch 举例说明基于AQS实现同步器, CountDownLatch 用同步状态持有当前计数，countDown方法调用 release从而导致计数器递减；当计数器为0时，解除所有线程的等待；await调用acquire，如果计数器为0，acquire 会立即返回，否则阻塞。