01 前言

前段时间在面试，发现面试官都有问到同步器AQS的相关问题。AQS为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架，派生出如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等AQS全家桶。本文基于AQS原理的几个核心点，谈谈对AbstractQueuedSynchronizer的理解，并实现一个自定义同步器。

02 AQS原理面试题的核心回答要点

1. state 状态的维护。

2. CLH队列

3. ConditionObject通知

4.模板方法设计模式

5.独占与共享模式。

6.自定义同步器。

7. AQS全家桶的一些延伸，如：ReentrantLock等。

03  AQS的类图结构

AQS全称是AbstractQueuedSynchronizer，即抽象同步队列。下面看一下AQS的类图结构：

为了方便下面几个关键点的理解，大家先熟悉一下AQS的类图结构。

1. state 状态的维护

在AQS中维持了一个单一的共享状态state，来实现同步器同步。看一下state的相关代码如下：复制代码

（1）state源码

（2）state 源码设计几个回答要点

① state用volatile修饰，保证多线程中的可见性。

② getState()和setState()方法采用final修饰，限制AQS的子类重写它们两。

③ compareAndSetState（）方法采用乐观锁思想的CAS算法，也是采用final修饰的，不允许子类重写。

2. CLH队列

谈到CLH队列，我们结合以上state状态，先来看一下AQS原理图：

CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks) 同步队列是一个FIFO双向队列，其内部通过节点head和tail记录队首和队尾元素，队列元素的类型为Node。AQS依赖它来完成同步状态state的管理，当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。

（1）Node节点

CLH同步队列中，一个节点表示一个线程，它保存着线程的引用（thread）、状态（waitStatus）、前驱节点（prev）、后继节点（next），condition队列的后续节点（nextWaiter）如下图：

waitStatus几种状态状态：

我们再看一下CLH队列入列以及出列的代码：

（2）入列

CLH队列入列就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点，当前最后一个节点的next指向当前节点。addWaiter方法如下：

由以上代码可得，addWaiter设置尾节点失败的话，调用enq(Node node)方法设置尾节点，enq方法如下： 

（3）出列

首节点的线程释放同步状态后，将会唤醒它的后继节点（next），而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。可以看一下以下两段源码：

（4）CLH核心几个回答要点

① 双向链表入列出列

② CAS算法设置尾节点+死循环自旋。

3. ConditionObject

（1）ConditionObject简介

我们都知道，synchronized控制同步的时候，可以配合Object的wait()、notify()，notifyAll()系列方法可以实现等待/通知模式。而Lock呢？它提供了条件Condition接口，配合await(),signal(),signalAll()等方法也可以实现等待/通知机制。ConditionObject实现了Condition接口，给AQS提供条件变量的支持。

（2）Condition队列与CLH队列的那些事

我们先来看一下图：

ConditionObject队列与CLH队列的爱恨情仇：

① 调用了await()方法的线程，会被加入到conditionObject等待队列中，并且唤醒CLH队列中head节点的下一个节点。

② 线程在某个ConditionObject对象上调用了singnal()方法后，等待队列中的firstWaiter会被加入到AQS的CLH队列中，等待被唤醒。

③ 当线程调用unLock()方法释放锁时，CLH队列中的head节点的下一个节点(在本例中是firtWaiter)，会被唤醒。

区别：

① ConditionObject对象都维护了一个单独的等待队列，AQS所维护的CLH队列是同步队列，它们节点类型相同，都是Node。

04 独占与共享模式。

AQS支持两种同步模式:独占式和共享式。

1. 独占式

同一时刻仅有一个线程持有同步状态，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁。

公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，有礼貌的，先到者先拿到锁。

非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，不讲道理的，谁抢到就是谁的。

acquire(int arg)是独占式获取同步状态的方法，我们来看一下源码：

① acquire(long arg)方法

② addWaiter方法

③ acquireQueued(final Node node, long arg)方法

④ selfInterrupt()方法

结合源代码，可得acquire(int arg)方法流程图，如下：

2. 共享式

多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch等都是共享式的产物。

acquireShared(long arg)是共享式获取同步状态的方法，可以看一下源码：

由上可得，先调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态，如果获取失败，调用doAcquireShared(int arg)自旋方式获取同步状态，方法源码如下：

05 AQS的模板方法设计模式

1. 模板方法模式

模板方法模式:在一个方法中定义一个算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

模板方法模式生活中的例子：假设我们要去北京旅游，那么我们可以坐高铁或者飞机，或者火车，那么定义交通方式的抽象类，可以有以下模板：买票->安检->乘坐xx交通工具->到达北京。让子类继承该抽象类，实现对应的模板方法。

AQS定义的一些模板方法如下：

① isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

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

③ tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。tryAcquireShared(int)//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。

④ tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

简言之，就是AQS提供tryAcquire，tryAcquireShared等模板方法，给子类实现自定义的同步器。

06 自定义同步器。

基于以上分析，我们都知道state，CLH队列，ConditionObject队列等这些关键点，你要实现自定义锁的话，首先需要确定你要实现的是独占锁还是共享锁，定义原子变量state的含义，再定义一个内部类去继承AQS，重写对应的模板方法。

我们来看一下基于 AQS 实现的不可重入的独占锁的demo：

NonReentrantLockDemoTest:

运行结果：

07 AQS全家桶实战

AQS派生出如ReentrantLock、Semaphore等AQS全家桶，接下来可以看一下它们的使用案例。

1.ReentrantLock

（1）ReentrantLock介绍

① ReentrantLock为重入锁，能够对共享资源能够重复加锁，是实现Lock接口的一个类。

② ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种方式

（2）ReentrantLock案例

使用ReentrantLock来实现个简单线程安全的list，如下：

 

2. Semaphore

（1）Semaphore介绍

Semaphore也叫信号量，可以用来控制资源并发访问的线程数量，通过协调各个线程，以保证合理的使用资源。

（2）Semaphore案例

Java多线程有一到比较经典的面试题：ABC三个线程顺序输出，循环10遍。