6.3 JUC — 阻塞同步機制AQS

AbstractQueuedSynchronizer（AQS），即隊列同步器。它是構建鎖或者其他同步組件的基礎框架（如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等），它是JUC併發包中的核心基礎組件。AQS的主要使用方式是繼承，子類通過繼承同步器並實現它的抽象方法來管理同步狀態。

Node節點

AQS維護了一個靜態內部類Node，它包含了以下屬性：

1. static final Node SHARED：一種標識，表示被標識的結點是共享式。
2. static final Node EXCLUSIVE：一種標識，表示被標識的結點是獨佔式。
3. volatile int waitStatus：當前結點的等待狀態，它有1，0，-1，-2，-3五個取值。
   1. static final int CANCELLED =  1;  被中斷或者獲取同步狀態超時會被置爲該狀態，且在該狀態下的線程不再被阻塞。
   2. 0爲初始化默認值。
   3. static final int SIGNAL    = -1;  線程如果釋放了或者取消了同步狀態，則會將對應的結點置爲該狀態，用於通知下一個節點，準備獲取同步狀態。
   4. static final int CONDITION = -2; 當前節點在Condition中的等待隊列上，其他線程調用了singal方法後，該節點會從等待隊列轉移到AQS的同步隊列上，等待獲取同步鎖。
   5. static final int PROPAGATE = -3; 與共享式獲取同步狀態有關，該狀態標識的結點對應線程處於可運行的狀態。
4. volatile Node prev：前驅結點（給CLH同步隊列使用）
5. volatile Node next：後繼結點（給CLH同步隊列使用）
6. volatile Thread thread：當前節點對應的線程
7. Node nextWaiter：當前節點在Condition中等待隊列上的下一個節點（給Condition等待隊列使用）

上述屬性中，注意其中a、b以及c中的狀態信息都是static類型的，也就是說它們只是一些標識信息，是所有節點共用的。而其他屬性則是每個節點自身的信息。

CLH同步隊列

CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks) 同步隊列 是一個FIFO雙向隊列，其內部通過節點head和tail記錄隊首和隊尾元素，隊列元素的類型爲Node。AQS依賴它來完成同步狀態state的管理，CLH提供了一些重要的函數：

線程同步狀態相關

• tryAcquire(int arg)：獨佔式獲取同步狀態，獲取同步狀態成功後，其他線程需要等待該線程釋放同步狀態才能獲取同步狀態
• tryRelease(int arg)：獨佔式釋放同步狀態；
• tryAcquireShared(int arg)：共享式獲取同步狀態，返回值大於等於0則表示獲取成功，否則獲取失敗；
• tryReleaseShared(int arg)：共享式釋放同步狀態；
• acquire(int arg)：獨佔式獲取同步狀態，如果當前線程獲取同步狀態成功，則由該方法返回，否則，將會進入同步隊列等待，該方法將會調用可重寫的tryAcquire(int arg)方法；
• acquireInterruptibly(int arg)：與acquire(int arg)相同，但是該方法響應中斷，當前線程爲獲取到同步狀態而進入到同步隊列中，如果當前線程被中斷，則該方法會拋出InterruptedException異常並返回；
• tryAcquireNanos(int arg,long nanos)：超時獲取同步狀態，如果當前線程在nanos時間內沒有獲取到同步狀態，那麼將會返回false，已經獲取則返回true；
• acquireShared(int arg)：共享式獲取同步狀態，如果當前線程未獲取到同步狀態，將會進入同步隊列等待，與獨佔式的主要區別是在同一時刻可以有多個線程獲取到同步狀態；
• acquireSharedInterruptibly(int arg)：共享式獲取同步狀態，響應中斷；
• tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)：共享式獲取同步狀態，增加超時限制；
• release(int arg)：獨佔式釋放同步狀態，該方法會在釋放同步狀態之後，將同步隊列中第一個節點包含的線程喚醒；
• releaseShared(int arg)：共享式釋放同步狀態；

CLH狀態相關

• getState()：返回同步狀態的當前值；
• setState(int newState)：設置當前同步狀態；
• compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS設置當前狀態，該方法能夠保證狀態設置的原子性；
• CLH隊列入列就是tail指向新節點、新節點的prev指向當前最後的節點，當前最後一個節點的next指向當前節點。

同步狀態的獲取與釋放

在AQS中維護着一個FIFO（先進先出）的同步隊列CLH，當線程獲取同步狀態失敗後，則會加入到這個CLH同步隊列的對尾並一直保持着自旋。在CLH同步隊列中的線程在自旋時會判斷其前驅節點是否爲首節點，如果爲首節點則不斷嘗試獲取同步狀態，獲取成功則退出CLH同步隊列。當線程執行完邏輯後，會釋放同步狀態，釋放後會喚醒其後繼節點。

獲取同步狀態（入口：acquire相關方法）

釋放同步狀態（入口：release相關方法）

Condition等待隊列

在經典的生產者-消費者模式中，可以使用Object.wait()和Object.notify()阻塞和喚醒線程，但是只能有一個等待隊列。在AQS中也提供了類似的機制，但是可以更靈活的建立多個等待隊列。Condition隊列有以下特點：

1. 提供了await()方法使一個線程陷入等待，並提供signal()方法來支持線程的喚醒。
2. Condition和Wait/Notify通知機制類似，必須在Lock中使用，即在使用之前必須是已經獲取到鎖的狀態（Wait/Notify必須在synchronized中使用）。
3. 執行signal()方法後，等待隊列的結點被轉移至CLH同步隊列中競爭鎖。

Condition等待隊列也使用了和CLH同步隊列一樣的結點，類似地使用firstWaiter與lastWaiter兩個指針指向隊列首尾，但是隻使用了node的nextWaiter屬性（而沒有用next和prev）使其變成了一個單向鏈表（也是FIFO）。Condition等待隊列提供了一些控制線程狀態的重要函數：

1. 線程等待阻塞
   1. await()：讓當前線程進入等待阻塞狀態，使其轉移到condition隊列中，直到其他線程喚醒或者中斷此線程。
   2. await(long time, TimeUnit unit)：讓當前線程進入等待阻塞狀態，使其轉移到condition隊列中，直到其他線程喚醒、中斷、超時。
   3. awaitNanos(long nanosTimeout)：納秒級別控制，讓當前線程進入等待阻塞狀態，使其轉移到condition隊列中，直到其他線程喚醒、中斷、超時，並返回剩餘時間。
   4. awaitUninterruptibly()：讓當前線程進入等待阻塞狀態，且不會響應線程的中斷。
   5. awaitUntil(Date deadline)：類似於第二種情況。
2. 線程喚醒
   1. signal()：喚醒一個等待在Condition上的線程，使其轉到同步隊列中
   2. signalAll()：喚醒所有等待在Condition上的線程，使它們轉到同步隊列中

LockSupport

可以發現，在同步隊列和等待隊列中對線程的很多操作都與LockSupport有關。LockSupport對外提供了一些靜態方法用來操控當前線程：

1. 線程阻塞相關
   1. park()：阻塞當前線程，直到其他線程調用unpark(Thread)方法或者當前線程被中斷
   2. parkNanos(long)：阻塞當前線程，直到其他線程調用unpark(Thread)方法、當前線程被中斷、超時（相對時間）
   3. parkUntil(long)：阻塞當前線程，直到某個時間（絕對時間）
2. 線程喚醒相關
   1. unpark(Thread)：喚醒某個線程

而LockSupport的底層還是由Unsafe類來完成。