【Java 并发编程的艺术】阅读笔记—AQS和Lock

1. AQS原理

1.1 AQS简介

AQS全名AbstractQueuedSynchronizer，是一个队列同步器，JUC的锁和同步组件都是基于AQS构建的。AQS的结构主要分两部分：

• state：用了violate关键字修饰的int类型成员变量，表示同步状态，每次更新都能被所有线程可见；
• head、tail：内置的Node类型（Node包含当前线程、等待状态等信息），组成了一个FIFO的同步队列。

AQS的主要使用方式是继承，它采用了模板方法的设计模式。什么是模板方法设计模式？简单来说，就是一个类将一些不变行为封装成final方法（即模板方法），将剩余的可变方法（abstract）留给子类实现去拓展。

1.2 AQS接口

AQS主要提供了如下三个方法来访问或修改同步状态state：

• getState()：获取当前同步状态
• setState(int newState)：设置当前同步状态
• compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。

1.2.1 AQS模板方法

下面列举几个最为核心的模板方法：

方法	描述
void acquire(int arg)	独占式调用tryAquire()尝试获取同步状态，获取失败则将该线程塞进同步队列队尾
void acquireShared(int arg)	共享式调用tryAquireShared()获取同步状态，同一时刻可以有多个线程获取到同步状态
boolean release(int arg)	独占式调用tryRelease()释放同步状态
boolean releaseShared(int arg)	共享式调用tryReleaseShared()释放同步状态

1.2.2 AQS重写接口

而AQS可重写的方法如下：

方法	描述
boolean tryAquire(int arg)	独占式获取同步状态
boolean tryRelease(int arg)	独占式释放同步状态
int tryAquireShared(int arg)	共享式获取同步状态，与其他接口不同的是该接口返回值是int，这是为了实现共享的语义，返回大于等于0时表示成功，反之失败
boolean tryReleaseShared(int arg)	共享式释放同步状态

可以看到，AQS利用模板方法主要做了两件事：

1. 尝试获取或设置同步状态
2. 维护同步队列

而留给开发者的可重写方法更多聚焦于如何设置、获取同步状态，这种设计思想与双亲委派机制有点相似：loadClass中实现了双亲委派机制，而用户可以通过重写findClass去实现自己加载类的具体逻辑。

2. Lock和AQS的关系

AQS是实现Lock的基础，两者之间的主要区别在于：

• Lock面向锁的使用者，它聚焦的问题是使用者如何更好地使用锁处理并发问题，而使用者不需要知道锁的实现细节就可以实现互斥同步；
• AQS面向锁的开发者，它关注的两个主要问题是同步状态管理以及维护线程的同步等待队列。

3. 自定义实现独占锁

该节通过自定义实现独占锁Demo，去更加清晰揭示AQS和Lock接口的区别。

首先，我们定义了一个独占锁—Mutex实现Lock接口，并实现该接口的所有方法。而Lock接口的方法实现中所做的是都是调用AQS的模板方法。

其次，我们创建了一个内部类—Sync，实现了一个自定义同步器，并重写了其中的所有非模板方法，主要思想是通过getState()、setState(int newState)和compareAndSetState(int expect, int update)三个方法去设置和获取同步状态，具体实现可看代码注释。

至此我们总结一下其中的一个核心调用链lock --> acquire() --> tryAcquire()：

• lock：面向用户提供锁功能
• acquire：尝试设置同步状态并维护同步队列
• tryAquire：设置同步状态的真正逻辑

import java.util.concurrent.TimeUnit;  
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;  
import java.util.concurrent.locks.Condition;  
import java.util.concurrent.locks.Lock;  
​  
/**  
 * @author Lam  
 * @date 2020/7/27  
 */  
public class Mutex implements Lock {  
    private final Sync sync = new Sync();  
    ​  
    /**  
     * 同步器实现，重写非模板方法  
     * 主要思想是使用CAS设置state的状态  
     */  
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {  

        @Override  
        protected boolean tryAcquire(int arg) {  
            // CAS设置state  
            if (compareAndSetState(0, 1)) {  
                // 设置该线程为成功获取同步状态的线程  
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());  
                return true;  
            }  

            // 设置状态失败  
            return false;  
        }  
        ​  
        @Override  
        protected boolean tryRelease(int arg) {  
            // 若此时同步状态为0说明没有线程设置过同步状态  
            if (getState()==0) {  
                throw new IllegalMonitorStateException();  
            }  

            // 清空成功获取同步状态的线程信息  
            setExclusiveOwnerThread(null);  

            // 清除状态  
            setState(0);  
            return true;  
        }  
        ​  
        @Override  
        protected boolean isHeldExclusively() {  
            return getState() == 1;  
        }  
        ​  
        /**  
         * 该方法不是AQS的重写方法，只是为了代码风格统一将逻辑都放到Sync中  
         */  
        Condition newCondition() {  
            // 返回一个等待通知组件  
            return new ConditionObject();  
        }  
    }  
​  
    /**  
    * Lock接口的实现  
    */  
    ​  
    @Override  
    public void lock() {  
        sync.acquire(1);  
    }  
    ​  
    @Override  
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {  
        sync.acquireInterruptibly(1);  
    }  
    ​  
    @Override  
    public boolean tryLock() {  
        return sync.tryAcquire(1);  
    }  
    ​  
    @Override  
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {  
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));  
    }  
    ​  
    @Override  
    public void unlock() {  
        sync.release(1);  
    }  
    ​  
    @Override  
    public Condition newCondition() {  
        return sync.newCondition();  
    }  
}

4. 总结

本文大部分内容取自Java并发编程的艺术，在一些小地方做了删改并加了自己的理解，如果想更完全深入了解AQS的模板方法和非模板方法有哪些可以查看原书第五章的1、2节。