AQS框架
基础
AbstractQueuedSynchronizer抽象同步队列简称AQS，它是实现同步器的基础组件，如常用的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。
AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步模板，解决了实现同步器时涉及的大量细节问题，能够极大地减少实现工作，虽然大多数开发者可能永远不会使用AQS实现自己的同步器（JUC包下提供的同步器基本足够应对日常开发），但是知道AQS的原理对于架构设计还是很有帮助的，面试还可以吹吹牛，下面是AQS的组成结构。
三部分组成：volatile int state同步状态、Node组成的CLH队列、ConditionObject条件变量（包含Node组成的条件单向队列）。
状态
getState()：返回同步状态setState(int newState)：设置同步状态compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS设置同步状态isHeldExclusively()：当前线程是否持有资源
独占资源（不响应线程中断）
tryAcquire(int arg)：独占式获取资源，子类实现acquire(int arg)：独占式获取资源模板tryRelease(int arg)：独占式释放资源，子类实现release(int arg)：独占式释放资源模板
共享资源（不响应线程中断）
tryAcquireShared(int arg)：共享式获取资源，返回值大于等于0则表示获取成功，否则获取失败，子类实现acquireShared(int arg)：共享形获取资源模板tryReleaseShared(int arg)：共享式释放资源，子类实现releaseShared(int arg)：共享式释放资源模板
同步状态
在AQS中维护了一个同步状态变量state，getState函数获取同步状态，setState、compareAndSetState函数修改同步状态，对于AQS来说，线程同步的关键是对state的操作，可以说获取、释放资源是否成功都是由state决定的，比如state>0代表可获取资源，否则无法获取，所以state的具体语义由实现者去定义，现有的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch定义的state语义都不一样。
- ReentrantLock的state用来表示是否有锁资源
- ReentrantReadWriteLock的state高16位代表读锁状态，低16位代表写锁状态
- Semaphore的state用来表示可用信号的个数
- CountDownLatch的state用来表示计数器的值
CLH队列
CLH是AQS内部维护的FIFO（先进先出）双端双向队列（方便尾部节点插入），基于链表数据结构，当一个线程竞争资源失败，就会将等待资源的线程封装成一个Node节点，通过CAS原子操作插入队列尾部，最终不同的Node节点连接组成了一个CLH队列，所以说AQS通过CLH队列管理竞争资源的线程，个人总结CLH队列具有如下几个优点：
- 先进先出保证了公平性
- 非阻塞的队列，通过自旋锁和CAS保证节点插入和移除的原子性，实现无锁快速插入
- 采用了自旋锁思想，所以CLH也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁
Node内部类
Node是AQS的内部类，每个等待资源的线程都会封装成Node节点组成CLH队列、等待队列，所以说Node是非常重要的部分，理解它是理解AQS的第一步。
nextWaiter特殊标记
Node在CLH队列时，nextWaiter表示共享式或独占式标记Node在条件队列时，nextWaiter表示下个Node节点指针
流程概述
线程获取资源失败，封装成Node节点从CLH队列尾部入队并阻塞线程，某线程释放资源时会把CLH队列首部Node节点关联的线程唤醒（此处的首部是指第二个节点，后面会细说），再次获取资源。
入队
获取资源失败的线程需要封装成Node节点，接着尾部入队，在AQS中提供addWaiter函数完成Node节点的创建与入队。
/**
* @description: Node节点入队-CLH队列
* @param mode 标记Node.EXCLUSIVE独占式 or Node.SHARED共享式
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
// 根据当前线程创建节点，等待状态为0
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取尾节点
Node pred = tail;
if (pred != null) {
// 如果尾节点不等于null，把当前节点的前驱节点指向尾节点
node.prev = pred;
// 通过CAS把尾节点指向当前节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 之前尾节点的下个节点指向当前节点
pred.next = node;
return node;
}
}
// 如果添加失败或队列不存在，执行end函数
enq(node);
return node;
}
添加节点的时候，如果从CLH队列已经存在，通过CAS快速将当前节点添加到队列尾部，如果添加失败或队列不存在，则指向enq函数自旋入队。
/**
* @description: 自旋cas入队
* @param node 节点
*/
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { //循环
//获取尾节点
Node t = tail;
if (t == null) {
//如果尾节点为空，创建哨兵节点，通过cas把头节点指向哨兵节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
//cas成功，尾节点指向哨兵节点
tail = head;
} else {
//当前节点的前驱节点设指向之前尾节点
node.prev = t;
//cas设置把尾节点指向当前节点
if (compareAndSetTail(t, node)) {
//cas成功，之前尾节点的下个节点指向当前节点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
通过自旋CAS尝试往队列尾部插入节点，直到成功，自旋过程如果发现CLH队列不存在时会初始化CLH队列，入队过程流程如下图：
第一次循环
- 刚开始C L H队列不存在，head与tail都指向null
- 要初始化C L H队列，会创建一个哨兵节点，head与tail都指向哨兵节点
第二次循环
- 当前线程节点的前驱节点指向尾部节点（哨兵节点）
- 设置当前线程节点为尾部，tail指向当前线程节点
- 前尾部节点的后驱节点指向当前线程节点（当前尾部节点）
最后结合addWaiter与enq函数的入队流程图如下
出队
CLH队列中的节点都是获取资源失败的线程节点，当持有资源的线程释放资源时，会将head.next指向的线程节点唤醒（CLH队列的第二个节点），如果唤醒的线程节点获取资源成功，线程节点清空信息设置为头部节点（新哨兵节点），原头部节点出队（原哨兵节点）acquireQueued函数中的部分代码
//1.获取前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前驱节点是首节点，获取资源（子类实现）
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//2.获取资源成功，设置当前节点为头节点，清空当前节点的信息，把当前节点变成哨兵节点
setHead(node);
//3.原来首节点下个节点指向为null
p.next = null; // help GC
//4.非异常状态，防止指向finally逻辑
failed = false;
//5.返回线程中断状态
return interrupted;
}
private void setHead(Node node) {
//节点设置为头部
head = node;
//清空线程
node.thread = null;
//清空前驱节点
node.prev = null;
}
只需要关注1~3步骤即可，过程非常简单，假设获取资源成功，更换头部节点，并把头部节点的信息清除变成哨兵节点，注意这个过程是不需要使用CAS来保证，因为只有一个线程能够成功获取到资源。
条件变量
Object的wait、notify函数是配合Synchronized锁实现线程间同步协作的功能，A Q S的ConditionObject条件变量也提供这样的功能，通过ConditionObject的await和signal两类函数完成。不同于Synchronized锁，一个A Q S可以对应多个条件变量，而Synchronized只有一个。
如上图所示，ConditionObject内部维护着一个单向条件队列，不同于C H L队列，条件队列只入队执行await的线程节点，并且加入条件队列的节点，不能在C H L队列， 条件队列出队的节点，会入队到C H L队列。
当某个线程执行了ConditionObject的await函数，阻塞当前线程，线程会被封装成Node节点添加到条件队列的末端，其他线程执行ConditionObject的signal函数，会将条件队列头部线程节点转移到C H L队列参与竞争资源，具体流程如下图
模板方法
AQS采用了模板方法设计模式，提供了两类模板，一类是独占式模板，另一类是共享形模式，对应的模板函数如下
- 独占式
acquire获取资源release释放资源
- 共享式
acquireShared获取资源releaseShared释放资源
独占式获取资源
acquire是个模板函数，模板流程就是线程获取共享资源，如果获取资源成功，线程直接返回，否则进入CLH队列，直到获取资源成功为止，且整个过程忽略中断的影响，acquire函数代码如下
- 执行tryAcquire函数，tryAcquire是由子类实现，代表获取资源是否成功，如果资源获取失败，执行下面的逻辑
- 执行addWaiter函数（前面已经介绍过），根据当前线程创建出独占式节点，并入队CLH队列
- 执行acquireQueued函数，自旋阻塞等待获取资源
- 如果acquireQueued函数中获取资源成功，根据线程是否被中断状态，来决定执行线程中断逻辑
acquire函数的大致流程都清楚了，下面来分析下acquireQueued函数，线程封装成节点后，是如何自旋阻塞等待获取资源的，代码如下：
/**
* @description: 自旋机制等待获取资源
* @param node
* @param arg
* @return: boolean
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//异常状态，默认是
boolean failed = true;
try {
//该线程是否中断过，默认否
boolean interrupted = false;
for (;;) {//自旋
//获取前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前驱节点是首节点，获取资源（子类实现）
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取资源成功，设置当前节点为头节点，清空当前节点的信息，把当前节点变成哨兵节点
setHead(node);
//原来首节点下个节点指向为null
p.next = null; // help GC
//非异常状态，防止指向finally逻辑
failed = false;
//返回线程中断状态
return interrupted;
}
/**
* 如果前驱节点不是首节点，先执行shouldParkAfterFailedAcquire函数，shouldParkAfterFailedAcquire做了三件事
* 1.如果前驱节点的等待状态是SIGNAL，返回true，执行parkAndCheckInterrupt函数，返回false
* 2.如果前驱节点的等大状态是CANCELLED，把CANCELLED节点全部移出队列（条件节点）
* 3.以上两者都不符合，更新前驱节点的等待状态为SIGNAL，返回false
*/
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//使用LockSupport类的静态方法park挂起当前线程，直到被唤醒，唤醒后检查当前线程是否被中断，返回该线程中断状态并重置中断状态
parkAndCheckInterrupt())
//该线程被中断过
interrupted = true;
}
} finally {
// 尝试获取资源失败并执行异常，取消请求，将当前节点从队列中移除
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
一图胜千言，核心流程图如下:
独占式释放资源
有获取资源，自然就少不了释放资源，A Q S中提供了release模板函数来释放资源，模板流程就是线程释放资源成功，唤醒CLH队列的第二个线程节点（首节点的下个节点），代码如下
/**
* @description: 独占式-释放资源模板函数
* @param arg
* @return: boolean
*/
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {//释放资源成功，tryRelease子类实现
//获取头部线程节点
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0) //头部线程节点不为null，并且等待状态不为0
//唤醒CHL队列第二个线程节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
//获取节点等待状态
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
//cas更新节点状态为0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//获取下个线程节点
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) { //如果下个节点信息异常，从尾节点循环向前获取到正常的节点为止，正常情况不会执行
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
//唤醒线程节点
LockSupport.unpark(s.thread);
}
}
release逻辑非常简单，流程图如下：
共享式获取资源
acquireShared是个模板函数，模板流程就是线程获取共享资源，如果获取到资源，线程直接返回，否则进入CLH队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响，acquireShared函数代码如下
/**
* @description: 共享式-获取资源模板函数
* @param arg
* @return: void
*/
public final void acquireShared(int arg) {
/**
* 1.负数表示失败
* 2.0表示成功，但没有剩余可用资源
* 3.正数表示成功且有剩余资源
*/
if (tryAcquireShared(arg) < 0) //获取资源失败，tryAcquireShared子类实现
//自旋阻塞等待获取资源
doAcquireShared(arg);
}
doAcquireShared函数与独占式的acquireQueued函数逻辑基本一致，唯一的区别就是下图红框部分
- 节点的标记是共享式
- 获取资源成功，还会唤醒后续资源，因为资源数可能
>0，代表还有资源可获取，所以需要做后续线程节点的唤醒
共享式释放资源
AQS中提供了releaseShared模板函数来释放资源，模板流程就是线程释放资源成功，唤醒CHL队列的第二个线程节点（首节点的下个节点），代码如下
/**
* @description: 共享式-释放资源模板函数
* @param arg
* @return: boolean
*/
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {//释放资源成功，tryReleaseShared子类实现
//唤醒后继节点
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
//获取头节点
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {//如果头节点等待状态为SIGNAL
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))//更新头节点等待状态为0
continue; // loop to recheck cases
//唤醒头节点下个线程节点
unparkSuccessor(h);
}
//如果后继节点暂时不需要被唤醒，更新头节点等待状态为PROPAGATE
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
if (h == head)
break;
}
}
与独占式释放资源区别不大，都是唤醒头节点的下个节点。
什么是AQS？
AQS 的全称是 AbstractQueuedSynchronizer，即抽象队列同步器。是Java并发工具的基础，采用乐观锁，通过CAS与自旋轻量级的获取锁。维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。很多JUC包，比如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等并发类均是继承AQS，通过AQS的模板方法，来实现的。
核心思想
- 若请求的共享资源空闲，则将当前请求的线程设置为有效的工作线程，并将共享资源设置为锁定状态
- 若共享资源被占用，则需要阻塞等待唤醒机制保证锁的分配
工作原理
AQS = 同步状态（volatile int state） + 同步队列（即等待队列，FIFO的CLH队列） + 条件队列（ConditionObject）
- state：代表共享资源。
volatile保证并发读，CAS保证并发写 - 同步队列（即等待队列，CLH队列）：是CLH变体的虚拟双向队列（先进先出FIFO）来等待获取共享资源。当前线程可以通过signal和signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列中
- 条件队列（ConditionObject）：当前线程存在于同步队列的头节点，可以通过await从同步队列转移到条件队列中
实现原理
- 通过CLH队列的变体：FIFO双向队列实现的
- 每个请求资源的线程被包装成一个节点来实现锁的分配
- 通过
volatile的int类型的成员变量state表示同步状态 - 通过FIFO队列完成资源获取的排队工作
- 通过CAS完成对
state的修改
