學習Java並發編程不得不去了解一下java.util.concurrent這個包，這個包下面有許多我們經常用到的並發工具類，例如：ReentrantLock, CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore等。而這些類的底層實現都依賴於AbstractQueuedSynchronizer這個類，由此可見這個類的重要性。所以在Java並發系列文章中我首先對AbstractQueuedSynchronizer這個類進行分析，由於這個類比較重要，而且代碼比較長，為了盡可能分析的透徹一些，我決定用四篇文章對該類進行一個比較完整的介紹。本篇文章作為概要介紹主要是讓讀者們對該類有個初步了解。為了敘述簡單，后續有些地方會用AQS代表這個類。
1. AbstractQueuedSynchronizer這個類是干嘛的？
相信要許多讀者使用過ReentrantLock，但是卻不知道AbstractQueuedSynchronizer的存在。其實ReentrantLock實現了一個內部類Sync，該內部類繼承了AbstractQueuedSynchronizer，所有鎖機制的實現都是依賴於Sync內部類，也可以說ReentrantLock的實現就是依賴於AbstractQueuedSynchronizer類。於此類似，CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore這些類也是采用同樣的方式來實現自己對於鎖的控制。可見，AbstractQueuedSynchronizer是這些類的基石。那么AQS內部到底實現了什么以至於所以這些類都要依賴於它呢？可以這樣說，AQS為這些類提供了基礎設施，也就是提供了一個密碼鎖，這些類擁有了密碼鎖之后可以自己來設置密碼鎖的密碼。此外，AQS還提供了一個排隊區，並且提供了一個線程訓導員，我們知道線程就像一個原始的野蠻人，它不懂得講禮貌，它只會橫沖直撞，所以你得一步一步去教它，告訴它什么時候需要去排隊了，要到哪里去排隊，排隊前要做些什么，排隊后要做些什么。這些教化工作全部都由AQS幫你完成了，從它這里教化出來的線程都變的非常文明懂禮貌，不再是原始的野蠻人，所以以后我們只需要和這些文明的線程打交道就行了，千萬不要和原始線程有過多的接觸！
2. 為何說AbstractQueuedSynchronizer提供了一把密碼鎖？
1 //同步隊列的頭結點 2 private transient volatile Node head; 3 4 //同步隊列的尾結點 5 private transient volatile Node tail; 6 7 //同步狀態 8 private volatile int state; 9 10 //獲取同步狀態 11 protected final int getState() { 12 return state; 13 } 14 15 //設置同步狀態 16 protected final void setState(int newState) { 17 state = newState; 18 } 19 20 //以CAS方式設置同步狀態 21 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { 22 return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); 23 }
上面的代碼列出了AQS的所有成員變量，可以看到AQS的成員變量只有三個，分別是同步隊列頭結點引用，同步隊列尾結點引用以及同步狀態。注意，這三個成員變量都使用了volatile關鍵字進行修飾，這就確保了多個線程對它的修改都是內存可見的。整個類的核心就是這個同步狀態，可以看到同步狀態其實就是一個int型的變量，大家可以把這個同步狀態看成一個密碼鎖，而且還是從房間里面鎖起來的密碼鎖，state具體的值就相當於密碼控制着密碼鎖的開合。當然這個鎖的密碼是多少就由各個子類來規定了，例如在ReentrantLock中，state等於0表示鎖是開的，state大於0表示鎖是鎖着的，而在Semaphore中，state大於0表示鎖是開的，state等於0表示鎖是鎖着的。
2. AbstractQueuedSynchronizer的排隊區是怎樣實現的？
AbstractQueuedSynchronizer內部其實有兩個排隊區，一個是同步隊列，一個是條件隊列。從上圖可以看出，同步隊列只有一條，而條件隊列可以有多條。同步隊列的結點分別持有前后結點的引用，而條件隊列的結點只有一個指向后繼結點的引用。圖中T表示線程，每個結點包含一個線程，線程在獲取鎖失敗后首先進入同步隊列排隊，而想要進入條件隊列該線程必須持有鎖才行。接下來我們看看隊列中每個結點的結構。
1 //同步隊列的結點 2 static final class Node { 3 4 static final Node SHARED = new Node(); //表示當前線程以共享模式持有鎖 5 6 static final Node EXCLUSIVE = null; //表示當前線程以獨占模式持有鎖 7 8 static final int CANCELLED = 1; //表示當前結點已經取消獲取鎖 9 10 static final int SIGNAL = -1; //表示后繼結點的線程需要運行 11 12 static final int CONDITION = -2; //表示當前結點在條件隊列中排隊 13 14 static final int PROPAGATE = -3; //表示后繼結點可以直接獲取鎖 15 16 volatile int waitStatus; //表示當前結點的等待狀態 17 18 volatile Node prev; //表示同步隊列中的前繼結點 19 20 volatile Node next; //表示同步隊列中的后繼結點 21 22 volatile Thread thread; //當前結點持有的線程引用 23 24 Node nextWaiter; //表示條件隊列中的后繼結點 25 26 //當前結點狀態是否是共享模式 27 final boolean isShared() { 28 return nextWaiter == SHARED; 29 } 30 31 //返回當前結點的前繼結點 32 final Node predecessor() throws NullPointerException { 33 Node p = prev; 34 if (p == null) { 35 throw new NullPointerException(); 36 } else { 37 return p; 38 } 39 } 40 41 //構造器1 42 Node() {} 43 44 //構造器2, 默認用這個構造器 45 Node(Thread thread, Node mode) { 46 //注意持有模式是賦值給nextWaiter 47 this.nextWaiter = mode; 48 this.thread = thread; 49 } 50 51 //構造器3, 只在條件隊列中用到 52 Node(Thread thread, int waitStatus) { 53 this.waitStatus = waitStatus; 54 this.thread = thread; 55 } 56 }
Node代表同步隊列和條件隊列中的一個結點，它是AbstractQueuedSynchronizer的內部類。Node有很多屬性，比如持有模式，等待狀態，同步隊列中的前繼和后繼，以及條件隊列中的后繼引用等等。可以把同步隊列和條件隊列看成是排隊區，每個結點看成是排隊區的座位，將線程看成是排隊的客人。客人剛來時會先去敲敲門，看看鎖有沒有開，如果鎖沒開它就會去排隊區領取一個號碼牌，聲明自己想要以什么樣的方式來持有鎖，最后再到隊列的末尾進行排隊。
3. 怎樣理解獨占模式和共享模式？
前面講到每個客人在排隊前會領取一個號碼牌，聲明自己想要以什么樣的方式來占有鎖，占有鎖的方式分為獨占模式和共享模式，那么怎樣來理解獨占模式和共享模式呢？實在找不到什么好的比喻，大家可以聯想一下公共廁所，獨占模式的人比較霸道，老子要么就不進，進來了就不許別人再進了，自己一個人獨自占用整個廁所。共享模式的人就沒那么講究了，當它發現這個廁所已經可以用了之后，它自己進來還不算，還得熱心的問下后面的人介不介意一起用，如果后面的人不介意一起使用那就不用再排隊了大家一起上就是了， 當然如果后面的人介意那就只好留在隊列里繼續排隊了。
4. 怎樣理解結點的等待狀態？
我們還看到每個結點都有一個等待狀態，這個等待狀態分為CANCELLED，SIGNAL，CONDITION，PROPAGATE四種狀態。可以將這個等待狀態看作是掛在座位旁邊的牌子，標識當前座位上的人的等待狀態。這個牌子的狀態不僅自己可以修改，其他人也可以修改。例如當這個線程在排隊過程中已經打算放棄了，它就會將自己座位上的牌子設置為CANCELLED，這樣其他人看到了就可以將它清理出隊列。還有一種情況是，當線程在座位上要睡着之前，它怕自己睡過了頭，就會將前面位置上的牌子改為SIGNAL，因為每個人在離開隊列前都會回到自己座位上看一眼，如果看到牌子上狀態為SIGNAL，它就會去喚醒下一個人。只有保證前面位置上的牌子為SIGNAL，當前線程才會安心的睡去。CONDITION狀態表示該線程在條件隊列中排隊，PROPAGATE狀態提醒后面來的線程可以直接獲取鎖，這個狀態只在共享模式用到，后面單獨講共享模式的時候會講到。
5. 結點進入同步隊列時會進行哪些操作？
1 //結點入隊操作, 返回前一個結點 2 private Node enq(final Node node) { 3 for (;;) { 4 //獲取同步隊列尾結點引用 5 Node t = tail; 6 //如果尾結點為空說明同步隊列還沒有初始化 7 if (t == null) { 8 //初始化同步隊列 9 if (compareAndSetHead(new Node())) { 10 tail = head; 11 } 12 } else { 13 //1.指向當前尾結點 14 node.prev = t; 15 //2.設置當前結點為尾結點 16 if (compareAndSetTail(t, node)) { 17 //3.將舊的尾結點的后繼指向新的尾結點 18 t.next = node; 19 //for循環唯一的出口 20 return t; 21 } 22 } 23 } 24 }
注意，入隊操作使用一個死循環，只有成功將結點添加到同步隊列尾部才會返回，返回結果是同步隊列原先的尾結點。下圖演示了整個操作過程。
讀者需要注意添加尾結點的順序，分為三步：指向尾結點，CAS更改尾結點，將舊尾結點的后繼指向當前結點。在並發環境中這三步操作不一定能保證完成，所以在清空同步隊列所有已取消的結點這一操作中，為了尋找非取消狀態的結點，不是從前向后遍歷而是從后向前遍歷的。還有就是每個結點進入隊列中時它的等待狀態是為0，只有后繼結點的線程需要掛起時才會將前面結點的等待狀態改為SIGNAL。
注：以上全部分析基於JDK1.7，不同版本間會有差異，讀者需要注意