多线程与高并发（五）：AQS_aqs node waitstatus

一、简介

1、什么是AQS

AQS全名AbstractQueuedSynchronizer，抽象的队列式的同步器，它定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类都依赖于它，如ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等

2、AQS的结构

 AQS主要为一个volatile的state和一个CLH队列组成。

---

二、AQS原理

AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，将共享资源设置为锁定状态；如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

1、state

AQS主要通过state去控制线程对共享资源的访问，此处的state用volatile修饰，主要原因为让state在线程间可见。

不同的同步器继承AQS后，通过对部分方法的重写，对state值进行不同的处理，以实现对共享资源的不同竞争方式。竞争方式一般分为两种：独占（ReentrantLock）和共享（CountDownLatch、Semaphore）

1.1、state的访问方式有三种：

getState：获取state当前值

setState：主要用于初始化时使用

compareAndSetState：主要用于对state进行更新时使用

1.2、需要子类重写的主要方法：

① isHeldExclusively：（在Condition中使用）当前线程是否正在独占资源。Returns true if synchronization is held exclusively with respect to the current (calling)

protected boolean isHeldExclusively() {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

② tryAcquire：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。

protected boolean tryAcquire(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

③ tryRelease：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

protected boolean tryRelease(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

④ tryAcquireShared：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。

protected int tryAcquireShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

⑤ tryReleaseShared：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

注：在AQS中已经实现了这些方法，在设计模式中称为“模板方法”，但它们会直接抛出异常，目的是让子类选择自己需要用的方法进行重写，而不必重写所有方法。

 

2、CLH队列

CLH是一个带有自旋锁的双向队列，能确保无饥饿性，通过FIFO实现线程对共享资源的访问。

2.1、Node节点：

2.1.1、节点中的属性：

Node是CLH中的节点，它维护了以下两个主要属性：

（1）节点状态waitStatus：

① CANCELLED（1）：表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断（响应中断的情况下），会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。

② SIGNAL（-1）：表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为SIGNAL。

③ CONDITION（-2）：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。

④ PROPAGATE（-3）：当前线程处在SHARED情况下，该字段才会使用，共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。

⑤ 0：新结点的初始化状态。

注：

① 非负值表示该节点处于被取消状态，大多数代码不需要检查特定的值，只用判断符号即可。

② 对于普通节点，waitStatus一般初始化为0

③ 对于condition节点，waitStatus一般初始化为CONDITION（-2）

（2）thread：

节点中维护的线程

2.1.1、节点的两种模式：

① SHARED：共享模式

② EXCLUSIVE：独占模式

 

3、获取共享资源流程：

注：

tryAcquire为模板方法，需要子类进行重写。

若子类为公平锁，tryAcquire只会在共享资源空闲或当前线程为资源独占线程时，才会成功，否则会失败。

若子类为非公平锁，tryAcquire除了在共享资源空闲或当前线程为资源独占线程时，还会去尝试CAS修改state的值，若修改成功，则获取成功，否则失败。

 

4、释放资源

① 尝试释放资源

② 唤醒后继节点

 

三、AQS的应用

AQS主要通过state去控制线程对共享资源的访问，不同的同步器继承AQS后，通过对部分方法的重写，对state值进行不同的处理，以实现对共享资源的不同竞争方式。

1、ReentrantLock

当state=0时，代表资源处于空闲状态，线程可去竞争资源。

当state>0时，代表资源已经被某个线程占有，此时state的值由当前线程进行修改值，state的数值为该线程重入的次数，每重入一次state+1，每释放一次state-1，当state减到0时，资源完全释放。

2、CountDownLatch

state的值为CountDownLatch的计数器，当state>0时，调用countDownLatch.await的线程等待，每当有一个线程调用countDownLatch.countDown，state-1，当state减到0时，等待的线程被唤醒。

3、Semaphore

state的值表示剩余的信号量，每当有线程调用semaphore.acquire获取到信号量时，state-1，每当拿到信号量的线程调用semaphore.release时state+1。当state=0时，表示无剩余信号量，此时正在调用semaphore.acquire的线程等待，当有其它线程释放信号量时，会唤醒clh队列中下一个等待的线程去争抢信号量。

 

参考资料：https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html