AQS底层原理

AQS
AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer，也就是抽象队列同步器，它是在java.util.concurrent.locks包下的，也就是JUC并发包。java提供了synchronized关键字内置锁，还提供了显示锁，而大部分的显示锁的底层都用到了AQS，比如只有一个线程能执行ReentrantLock独占锁，又比如多个线程可以同时执行共享锁Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock、CyclicBarrier。

同步器自身没有实现任何同步接口，它仅仅是定义了同步状态获取和释放的方法，提供自定义同步组件使用，子类通过继承同步器，实现它的抽象方法来管理同步状态。使用模板方法模式，使用者继承AbstractQueuedSynchronizer，重写指定的方法，重写的方法就是对于共享资源state的获取和释放，在自定义同步组件里调用它的模板方法，这些模板方法会调用使用者重写的方法，这是模板方法模式很经典的一个运用。

同步器依赖内部的一个FIFO双向同步队列来完成同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败时，同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程。当同步状态释放时，会把首节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

同步器拥有首节点和尾节点，首节点是获取同步状态成功的节点，首节点的线程在释放同步状态时，将会唤醒后继节点， 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，没有成功获取同步状态的线程会成为节点，加入该队列的尾部。

独占锁举例
拿ReentrantLock加锁举例，线程调用ReentrantLock的lock()方法进行加锁，这个加锁的过程，用CAS将state值从0变为1。一旦线程加锁成功了之后，就可以设置当前加锁线程是自己。ReentrantLock通过多次执行lock()加锁和unlock()释放锁，对一个锁加多次，从而实现可重入锁，每次线程可重入加锁一次，判断一下当前加锁线程是不是自己，如果是他自己就可以可重入多次加锁，每次加锁，就是把state的值给累加1。

当state=1时代表当前对象锁已经被占用，其他线程来加锁时则会失败，然后再去看加锁线程的变量里面是不是自己之前占用过这把锁，如果不是就说明有其他线程占用了这个锁，失败的线程被放入一个等待队列中，在等待唤醒的时候，经常会使用自旋（while(!cas())）的方式，不停地尝试获取锁，等待已经获得锁的线程，释放锁才能被唤醒。

当它释放锁的时候，将AQS内的state变量的值减1，如果state值为0，就彻底释放锁，会将“加锁线程”变量设置为null。这个时候，会从等待队列的队头唤醒其他线程重新尝试加锁，获得锁成功之后，会把“加锁线程”设置为线程自己，同时线程自己就从等待队列中出队。

底层实现独占锁
public final void acquice(int arg){
//同步状态获取、节点构造、加入同步队列以及在同步队列中自旋等待
if(!tryAcquirce(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE),arg)){
selfInterrupt();
}
}

首先调用自定义同步器实现的tryAcquire方法，保证线程安全的获取同步状态。
如果同步状态获取成功直接退出返回。
如果同步状态获取失败，就构造同步节点，通过addWaiter方法把这个节点加入到同步队列的尾部。
最后调用acquireQueued方法，让节点自旋的获取同步状态。
这个就是aqs实现独占锁的底层实现。

超时获取锁
在Java 5之前，当一个线程获取不到锁而被阻塞在synchronized之外时，对该线程进行中断操作，此时这个线程的中断标志位会被修改，但线程依旧会阻塞在synchronized上，等待着获取锁。

Java 5中，在等待获取同步状态时，如果当前线程被中断，会立刻返回，并抛出InterruptedException。

后续的版本又进行了优化，提供了超时获取同步状态过程，可以被当作响应中断，是获取同步状态过程的“增强版”， doAcquireNanos方法在支持响应中断的基础上，增加了超时获取的特性。

针对超时获取，主要需要计算出需要睡眠的时间间隔nanosTimeout，为了防止过早通知， nanosTimeout计算公式为：
nanosTimeout = now-lastTime，其中now为当前唤醒时间，lastTime为上次唤醒时间。
如果 nanosTimeout大于0则表示超时时间未到，需要继续睡眠nanosTimeout纳秒， 否则，表示已经超时。
如果nanosTimeout小于等于1000纳秒时， 将不会使该线程进行超时等待，而是进入快速的自旋过程。

原因在于，非常短的超时等待，无法做到十分精确，如果这时再进行超时等待，相反会让nanosTimeout的超时从整体上表现得反而不精确。因此，在超时非常短的场景下，同步器会进入无条件的快速自旋。

共享锁举例
拿CountDownLatch举例，任务分为5个子线程去执行，state也初始化为5。这5个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1，等到所有子线程都执行完后，state=0，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

共享锁实现原理
共享式获取与独占式获取最主要的区别在于同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。通过调用同步器的acquireShared方法可以共享式地获取同步状态，只要方法里面的tryAcquireShared方法返回值大于等于0，就可以成功获取到同步状态并退出自旋。对于能够支持多个线程同时访问的并发组件，它和独占式主要区别在于 tryReleaseShared方法必须确保同步状态线程安全释放，一般是通过循环和CAS来保证的，因为释放同步状态的操作可能会同时来自多个线程。