從零到一實(shí)現(xiàn)互斥鎖，理清AQS和Lock的關(guān)系。

作者：Mulavar

來(lái)源：SegmentFault社區(qū)

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1. AQS原理

1.1 AQS簡(jiǎn)介

AQS全名AbstractQueuedSynchronizer，是一個(gè)隊(duì)列同步器，JUC的鎖和同步組件都是基于AQS構(gòu)建的。AQS的結(jié)構(gòu)主要分兩部分：

• state：用了violate關(guān)鍵字修飾的int類型成員變量，表示同步狀態(tài)，每次更新都能被所有線程可見(jiàn)；
• head、tail：內(nèi)置的Node類型（Node包含當(dāng)前線程、等待狀態(tài)等信息），組成了一個(gè)FIFO的同步隊(duì)列。

AQS的主要使用方式是繼承，它采用了模板方法的設(shè)計(jì)模式。什么是模板方法設(shè)計(jì)模式？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)類將一些不變行為封裝成final方法（即模板方法），將剩余的可變方法（abstract）留給子類實(shí)現(xiàn)去拓展。

1.2 AQS接口

AQS主要提供了如下三個(gè)方法來(lái)訪問(wèn)或修改同步狀態(tài)state：

• getState()：獲取當(dāng)前同步狀態(tài)
• setState(int newState)：設(shè)置當(dāng)前同步狀態(tài)
• compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)，該方法能夠保證狀態(tài)設(shè)置的原子性。

1.2.1 AQS模板方法

下面列舉幾個(gè)最為核心的模板方法：

1.2.2 AQS重寫接口

而AQS可重寫的方法如下：

可以看到，AQS利用模板方法主要做了兩件事：

1. 嘗試獲取或設(shè)置同步狀態(tài)
2. 維護(hù)同步隊(duì)列

而留給開(kāi)發(fā)者的可重寫方法更多聚焦于如何設(shè)置、獲取同步狀態(tài)，這種設(shè)計(jì)思想與雙親委派機(jī)制有點(diǎn)相似：loadClass中實(shí)現(xiàn)了雙親委派機(jī)制，而用戶可以通過(guò)重寫findClass去實(shí)現(xiàn)自己加載類的具體邏輯。

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2. Lock和AQS的關(guān)系

AQS是實(shí)現(xiàn)Lock的基礎(chǔ)，兩者之間的主要區(qū)別在于：

• Lock面向鎖的使用者，它聚焦的問(wèn)題是使用者如何更好地使用鎖處理并發(fā)問(wèn)題，而使用者不需要知道鎖的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)互斥同步；
• AQS面向鎖的開(kāi)發(fā)者，它關(guān)注的兩個(gè)主要問(wèn)題是同步狀態(tài)管理以及維護(hù)線程的同步等待隊(duì)列。

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3. 自定義實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖

該節(jié)通過(guò)自定義實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖Demo，去更加清晰揭示AQS和Lock接口的區(qū)別。

首先，我們定義了一個(gè)獨(dú)占鎖—Mutex實(shí)現(xiàn)Lock接口，并實(shí)現(xiàn)該接口的所有方法。而Lock接口的方法實(shí)現(xiàn)中所做的是都是調(diào)用AQS的模板方法。

其次，我們創(chuàng)建了一個(gè)內(nèi)部類—Sync，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自定義同步器，并重寫了其中的所有非模板方法，主要思想是通過(guò)getState()、setState(int newState)和compareAndSetState(int expect, int update)三個(gè)方法去設(shè)置和獲取同步狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)可看代碼注釋。

至此我們總結(jié)一下其中的一個(gè)核心調(diào)用鏈lock --> acquire() --> tryAcquire()：

• lock：面向用戶提供鎖功能
• acquire：嘗試設(shè)置同步狀態(tài)并維護(hù)同步隊(duì)列
• tryAquire：設(shè)置同步狀態(tài)的真正邏輯

import java.util.concurrent.TimeUnit;import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;import java.util.concurrent.locks.Condition;import java.util.concurrent.locks.Lock;  /** * @author Lam * @date 2020/7/27 */public class Mutex implements Lock {    private final Sync sync = new Sync();          /**     * 同步器實(shí)現(xiàn)，重寫非模板方法     * 主要思想是使用CAS設(shè)置state的狀態(tài)     */    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override        protected boolean tryAcquire(int arg) {            // CAS設(shè)置state            if (compareAndSetState(0, 1)) {                // 設(shè)置該線程為成功獲取同步狀態(tài)的線程                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                return true;            }
            // 設(shè)置狀態(tài)失敗            return false;        }                  @Override        protected boolean tryRelease(int arg) {            // 若此時(shí)同步狀態(tài)為0說(shuō)明沒(méi)有線程設(shè)置過(guò)同步狀態(tài)            if (getState()==0) {                throw new IllegalMonitorStateException();            }
            // 清空成功獲取同步狀態(tài)的線程信息            setExclusiveOwnerThread(null);
            // 清除狀態(tài)            setState(0);            return true;        }                  @Override        protected boolean isHeldExclusively() {            return getState() == 1;        }                  /**         * 該方法不是AQS的重寫方法，只是為了代碼風(fēng)格統(tǒng)一將邏輯都放到Sync中         */        Condition newCondition() {            // 返回一個(gè)等待通知組件            return new ConditionObject();        }    }      /**    * Lock接口的實(shí)現(xiàn)    */          @Override    public void lock() {        sync.acquire(1);    }          @Override    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {        sync.acquireInterruptibly(1);    }          @Override    public boolean tryLock() {        return sync.tryAcquire(1);    }          @Override    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));    }          @Override    public void unlock() {        sync.release(1);    }          @Override    public Condition newCondition() {        return sync.newCondition();    }}

4. 總結(jié)

本文大部分內(nèi)容取自Java并發(fā)編程的藝術(shù)，在一些小地方做了刪改并加了自己的理解，如果想更完全深入了解AQS的模板方法和非模板方法有哪些可以查看原書第五章的1、2節(jié)。

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