一、AQS是构建同步组件的基础

  • AbstractQueuedSynchronizer,简称AQS,为构建不同的同步组件(重入锁,读写锁,CountDownLatch等)提供了可扩展的基础框架,如下图所示。

  • AQS以模板方法模式在内部定义了获取和释放同步状态的模板方法,并留下子函数供子类继承时进行扩展,由子类决定在获取和释放同步状态时的细节,从而实现满足自身功能特性的需求。除此之外,AQS通过内部的同步队列管理获取同步状态失败的线程,向实现者屏蔽了线程阻塞和唤醒的细节。

二、AQS的内部结构(ReentrantLock的语境下)

同步等待队列

AQS中同步等待队列的实现是一个带头尾指针(这里用指针表示引用是为了后面讲解源码时可以更直观形象,况且引用本身是一种受限的指针)且不带哨兵结点(后文中的头结点表示队列首元素结点,不是指哨兵结点)的双向链表。

/**
 * Head of the wait queue, lazily initialized.  Except for
 * initialization, it is modified only via method setHead.  Note:
 * If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be
 * CANCELLED.
 */
private transient volatile Node head;//指向队列首元素的头指针

/**
 * Tail of the wait queue, lazily initialized.  Modified only via
 * method enq to add new wait node.
 */
private transient volatile Node tail;//指向队列尾元素的尾指针

head是头指针,指向队列的首元素;tail是尾指针,指向队列的尾元素。而队列的元素结点Node定义在AQS内部,主要有如下几个成员变量

volatile Node prev; //指向前一个结点的指针
volatile Node next; //指向后一个结点的指针
volatile Thread thread; //当前结点代表的线程
volatile int waitStatus; //等待状态
  • prev:指向前一个结点的指针
  • next：指向后一个结点的指针
  • thread:当前结点表示的线程,因为同步队列中的结点内部封装了之前竞争锁失败的线程,故而结点内部必然有一个对应线程实例的引用
  • waitStatus:对于重入锁而言,主要有3个值。0:初始化状态；-1(SIGNAL):当前结点表示的线程在释放锁后需要唤醒后续节点的线程;1(CANCELLED):在同步队列中等待的线程等待超时或者被中断,取消继续等待。

同步队列的结构如下图所示
批注 20200605 114431.jpg

为了接下来能够更好的理解加锁和解锁过程的源码,对该同步队列的特性进行简单的讲解:

1.同步队列是个先进先出(FIFO)队列,获取锁失败的线程将构造结点并加入队列的尾部,并阻塞自己。如何才能线程安全的实现入队是后面讲解的重点,毕竟我们在讲锁的实现,这部分代码肯定是不能用锁的。
2.队列首结点可以用来表示当前正获取锁的线程。
3.当前线程释放锁后将尝试唤醒后续结点中处于阻塞状态的线程。

AQS中的其他数据结构(ReentrantLock的语境下)

  • 同步状态变量
/**
 * The synchronization state.
 */
private volatile int state;

这是一个带volatile前缀的int值,是一个类似计数器的东西。在不同的同步组件中有不同的含义。以ReentrantLock为例,state可以用来表示该锁被线程重入的次数。当state为0表示该锁不被任何线程持有;当state为1表示线程恰好持有该锁1次(未重入);当state大于1则表示锁被线程重入state次。因为这是一个会被并发访问的量,为了防止出现可见性问题要用volatile进行修饰。

  • 持有同步状态的线程标志
/**
 * The current owner of exclusive mode synchronization.
 */
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

如注释所言,这是在独占同步模式下标记持有同步状态线程的。

hhhhh