AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

一、什么是AQS

AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer）抽象的队列式的同步器，用来构建锁或者其他同步组件的基础框架类。使⽤AQS能简单且⾼效地构造出应⽤⼴泛的⼤量的同步器，如：基于AQS实现的lock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore需解决的问题。

AQS核⼼思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的⼯作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占⽤，那么就需要⼀套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是⽤CLH（虚拟的双向队列）队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加⼊到队列中。

AQS 的源码中 方法很多，但主要做了三件事情：

1、管理 同步状态；

2、维护 同步队列；

3、阻塞和唤醒 线程。

另外，从行为上来区分就是 获取锁 和 释放锁，从模式上来区分就是 独占锁 和 共享锁。

二、AQS的实现原理

1、同步状态（State）

volatile int state; 用于存储同步状态，通过getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect, int update)方法进行访问和原子操作

    /**
     * 同步状态
     */
    private volatile int state;

    /**
     * 返回同步状态的当前值。此操作具有读取的 volatile 内存语义
     * 返回值: 当前状态值
     */
    protected final int getState() {
        return state;
    }

    /**
     * 设置同步状态的值。此操作具有写入的 volatile 内存语义
     * 形参: newState – 新的状态值
     */
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

    /**
     * 如果当前状态值等于预期值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。此操作具有读取和写入的volatile 内存语义。
     * 形参: expect – 期望值 update – 新价值
     * 返回值: true 如果成功。错误返回表示实际值不等于预期值。     
     */
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return U.compareAndSetInt(this, STATE, expect, update);
    }

2、线程排队与阻塞

队列采用CLH变体的FIFO双向链表实现，每个节点仅需持有前驱节点的引用，由尾部节点维护整个队列。

使用内部类Node表示等待队列中的节点，包含线程引用、等待状态等信息。

3、同步模式

独占模式（Exclusive）：只有一个线程能持有同步状态，如ReentrantLock。

共享模式（Shared）：多个线程可以同时持有同步状态，如Semaphore。

4、阻塞与唤醒机制

使用java.util.concurrent.locks.LockSupport.park()和unpark(Thread thread)方法实现线程阻塞与唤醒。

5、公平与非公平策略

子类通过不同的tryAcquire实现逻辑控制是否遵循FIFO原则。

6、关键方法（acquire）

（1）tryAcquire(int arg) 和 tryRelease(int arg)：子类实现，分别用于独占模式下尝试获取和释放同步状态。

 Acquire:
      while (!tryAcquire(arg)) {
         enqueue thread if it is not already queued;
         possibly block current thread;
      }

 Release:
      if (tryRelease(arg))
         unblock the first queued thread;


    /**
     尝试以独占模式获取。此方法应查询对象的状态是否允许在独占模式下获取它，如果允许，则查询获取它。
     此方法始终由执行 acquire 的线程调用。如果此方法报告失败，则 acquire 方法可能会对线程进行排队（如果尚未排队），直到其他线程发出释放信号。
     这可以用于实现方法 Lock.tryLock()。默认实现抛出 UnsupportedOperationException.
     形参: arg – 获取参数。此值始终是传递给 acquire 方法的值，或者是在进入条件等待时保存的值。该值在其他方面是未解释的，可以表示您喜欢的任何内容。
     返回值: true 如果成功。成功后，该对象已被收购。
     抛出: IllegalMonitorStateException – 如果获取会使此同步器处于非法状态。必须以一致的方式引发此异常，同步才能正常工作。UnsupportedOperationException – 如果不支持独占模式
     */
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }


    /**
     尝试设置状态以反映独占模式下的发布。
     此方法始终由执行释放的线程调用。
     默认实现抛出 UnsupportedOperationException.
     形参: arg – 释放参数。此值始终是传递给发布方法的值，或者是进入条件等待时的当前状态值。该值在其他方面是未解释的，可以表示您喜欢的任何内容。
     返回值: true 如果此对象现在处于完全释放状态，则任何等待的线程都可以尝试获取;否则 false 。
     抛出: IllegalMonitorStateException – 如果释放会使此同步器处于非法状态。必须以一致的方式引发此异常，同步才能正常工作。UnsupportedOperationException – 如果不支持独占模式
     */
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

（2）tryAcquireShared(int arg) 和 tryReleaseShared(int arg)：子类实现，分别用于共享模式下尝试获取和释放同步状态。

    /**
     尝试在共享模式下获取。此方法应查询对象的状态是否允许在共享模式下获取它，如果允许，则查询获取它。
     此方法始终由执行 acquire 的线程调用。如果此方法报告失败，则 acquire 方法可能会对线程进行排队（如果尚未排队），直到其他线程发出释放信号。
     默认实现抛出 UnsupportedOperationException.
     形参: arg – 获取参数。此值始终是传递给 acquire 方法的值，或者是在进入条件等待时保存的值。该值在其他方面是未解释的，可以表示您喜欢的任何内容。
     返回值: 失败时为负值;如果共享模式下的采集成功，但后续的共享模式采集无法成功，则为零;如果共享模式下的采集成功，并且后续共享模式采集也可能成功，则为正值，在这种情况下，后续等待线程必须检查可用性。（支持三种不同的返回值，使此方法能够在获取有时仅以独占方式执行操作的上下文中使用。成功后，该对象已被收购。
     抛出: IllegalMonitorStateException – 如果获取会使此同步器处于非法状态。必须以一致的方式引发此异常，同步才能正常工作。UnsupportedOperationException – 如果不支持共享模式
     */
    protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }



    /**
     尝试设置状态以反映共享模式下的发布。
     此方法始终由执行释放的线程调用。
     默认实现抛出 UnsupportedOperationException.
     形参: arg – 释放参数。此值始终是传递给发布方法的值，或者是进入条件等待时的当前状态值。该值在其他方面是未解释的，可以表示您喜欢的任何内容。
     返回值: true 如果此共享模式版本可能允许等待获取（共享或独占）成功;以及 false 其他
     抛出: IllegalMonitorStateException – 如果释放会使此同步器处于非法状态。必须以一致的方式引发此异常，同步才能正常工作。UnsupportedOperationException – 如果不支持共享模式
     */
    protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

（3）acquire(int arg)、acquireInterruptibly(int arg)、tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)：独占模式下阻塞获取同步状态，支持中断和超时。

release(int arg)：独占模式下释放同步状态。

/**
主 acquire 方法，由所有导出的 acquire 方法调用。
形参:
node – 除非重新获取条件，否则为 null arg – 获取参数 shared – 如果共享模式为真，否则为独占 interruptible – 如果中止并在中断时返回负数 timed – 如果为 true，则使用定时等待 time – 如果定时，则超时的 System.nanoTime 值
返回值:
如果获取，则为正，如果超时，则为 0，如果中断，则为负
*/
final int acquire(Node node, int arg, boolean shared,
          boolean interruptible, boolean timed, long time) {
Thread current = Thread.currentThread();
byte spins = 0, postSpins = 0;   // retries upon unpark of first thread
boolean interrupted = false, first = false;
Node pred = null;                // predecessor of node when enqueued

/*
* Repeatedly:
*  Check if node now first
*    if so, ensure head stable, else ensure valid predecessor
*  if node is first or not yet enqueued, try acquiring
*  else if node not yet created, create it
*  else if not yet enqueued, try once to enqueue
*  else if woken from park, retry (up to postSpins times)
*  else if WAITING status not set, set and retry
*  else park and clear WAITING status, and check cancellation
*/

for (;;) {
if (!first && (pred = (node == null) ? null : node.prev) != null &&
    !(first = (head == pred))) {
    if (pred.status < 0) {
        cleanQueue();           // predecessor cancelled
        continue;
    } else if (pred.prev == null) {
        Thread.onSpinWait();    // ensure serialization
        continue;
    }
}
if (first || pred == null) {
    boolean acquired;
    try {
        if (shared)
            acquired = (tryAcquireShared(arg) >= 0);
        else
            acquired = tryAcquire(arg);
    } catch (Throwable ex) {
        cancelAcquire(node, interrupted, false);
        throw ex;
    }
    if (acquired) {
        if (first) {
            node.prev = null;
            head = node;
            pred.next = null;
            node.waiter = null;
            if (shared)
                signalNextIfShared(node);
            if (interrupted)
                current.interrupt();
        }
        return 1;
    }
}
if (node == null) {                 // allocate; retry before enqueue
    if (shared)
        node = new SharedNode();
    else
        node = new ExclusiveNode();
} else if (pred == null) {          // try to enqueue
    node.waiter = current;
    Node t = tail;
    node.setPrevRelaxed(t);         // avoid unnecessary fence
    if (t == null)
        tryInitializeHead();
    else if (!casTail(t, node))
        node.setPrevRelaxed(null);  // back out
    else
        t.next = node;
} else if (first && spins != 0) {
    --spins;                        // reduce unfairness on rewaits
    Thread.onSpinWait();
} else if (node.status == 0) {
    node.status = WAITING;          // enable signal and recheck
} else {
    long nanos;
    spins = postSpins = (byte)((postSpins << 1) | 1);
    if (!timed)
        LockSupport.park(this);
    else if ((nanos = time - System.nanoTime()) > 0L)
        LockSupport.parkNanos(this, nanos);
    else
        break;
    node.clearStatus();
    if ((interrupted |= Thread.interrupted()) && interruptible)
        break;
}
}
return cancelAcquire(node, interrupted, interruptible);
}

    /**
     以独占模式获取，中断时中止。通过首先检查中断状态，然后至少调用一次 tryAcquire，成功返回来实现。否则，线程将排队，可能会反复阻塞和取消阻塞，直到 tryAcquire 成功或线程中断。此方法可用于实现方法 Lock.lockInterruptibly。
    形参: arg – 获取参数。此值被传达给 tryAcquire ，但在其他方面不会被解释，并且可以表示您喜欢的任何内容。
    抛出: InterruptedException – 如果当前线程中断     
    */
    public final void acquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted() ||
            (!tryAcquire(arg) && acquire(null, arg, false, true, false, 0L) < 0))
            throw new InterruptedException();
    }

    /**
     尝试在独占模式下获取，如果中断则中止，如果给定的超时时间过长，则失败。通过首先检查中断状态，然后至少调用一次 tryAcquire，成功返回来实现。否则，线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，直到tryAcquire 成功或线程中断或超时结束。此方法可用于实现方法 Lock.tryLock(long, TimeUnit)。
     形参: arg – 获取参数。此值被传达给 tryAcquire ，但在其他方面不会被解释，并且可以表示您喜欢的任何内容。 nanosTimeout – 等待的最大纳秒数
     返回值: true 如果获得; false 如果超时
     抛出: InterruptedException –如果当前线程中断      
     */
    public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
        if (!Thread.interrupted()) {
            if (tryAcquire(arg))
                return true;
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            int stat = acquire(null, arg, false, true, true,
                               System.nanoTime() + nanosTimeout);
            if (stat > 0)
                return true;
            if (stat == 0)
                return false;
        }
        throw new InterruptedException();
    }


    /**
     以独占模式发布。通过在返回 true 时 tryRelease 取消阻止一个或多个线程来实现。此方法可用于实现方法 Lock.unlock。
     形参: arg – 释放参数。此值被传达给 tryRelease ，但在其他方面不会被解释，并且可以表示您喜欢的任何内容。
     返回值: 返回的值 tryRelease     
    */
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            signalNext(head);
            return true;
        }
        return false;
    }

（4）acquireShared(int arg)、acquireSharedInterruptibly(int arg)、tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)：共享模式下阻塞获取同步状态，支持中断和超时。

releaseShared(int arg)：共享模式下释放同步状态。

    /**
     在共享模式下获取，忽略中断。通过至少一次首次调用 tryAcquireShared来实现，成功返回。否则，线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，直到 tryAcquireShared 调用成功。
     形参: arg – 获取参数。此值被传达给 tryAcquireShared ，但在其他方面不会被解释，并且可以表示您喜欢的任何内容     
    */
    public final void acquireShared(int arg) {
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            acquire(null, arg, true, false, false, 0L);
    }

    /**
     在共享模式下获取，如果中断则中止。通过首先检查中断状态，然后至少调用一次 tryAcquireShared，成功返回来实现。否则，线程将排队，可能会反复阻塞和取消阻塞，直到 tryAcquireShared 成功或线程中断。
     形参: arg – 获取参数。此值被传达给 tryAcquireShared ，但在其他方面不会被解释，并且可以表示您喜欢的任何内容。
     抛出: InterruptedException – 如果当前线程中断     
    */
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted() ||
            (tryAcquireShared(arg) < 0 &&
             acquire(null, arg, true, true, false, 0L) < 0))
            throw new InterruptedException();
    }

    /**
     尝试在共享模式下获取，如果中断则中止，如果给定超时过，则失败。通过首先检查中断状态，然后至少调用一次 tryAcquireShared，成功返回来实现。否则，线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，直到 tryAcquireShared 成功或线程中断或超时结束。
     形参: arg – 获取参数。此值被传达给 tryAcquireShared ，但在其他方面不会被解释，并且可以表示您喜欢的任何内容。 nanosTimeout – 等待的最大纳秒数
    返回值: true 如果获得; false 如果超时
    抛出: InterruptedException – 如果当前线程中断     
    */
    public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        if (!Thread.interrupted()) {
            if (tryAcquireShared(arg) >= 0)
                return true;
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            int stat = acquire(null, arg, true, true, true,
                               System.nanoTime() + nanosTimeout);
            if (stat > 0)
                return true;
            if (stat == 0)
                return false;
        }
        throw new InterruptedException();
    }

    /**
     在共享模式下发布。通过在返回 true 时 tryReleaseShared 取消阻止一个或多个线程来实现。
     形参: arg – 释放参数。此值被传达给 tryReleaseShared ，但在其他方面不会被解释，并且可以表示您喜欢的任何内容。
     返回值: 返回的值 tryReleaseShared     
    */
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            signalNext(head);
            return true;
        }
        return false;
    }

三、CountDownLatch、CompletableFuture、CyclicBarrier、Semaphore

CountDownLatch：

通过计数法（倒计时器），让一些线程堵塞直到另一个线程完成一系列操作后才被唤醒；该⼯具通常⽤来控制线程等待，它可以让某⼀个线程等待直到倒计时结束，再开始执⾏。具体可以使用countDownLatch.await()来等待结果。多用于多线程信息汇总。

CompletableFuture：

通过设置参数，可以完成CountDownLatch同样的多平台响应问题，但是可以针对其中部分返回结果做更加灵活的展示。

CyclicBarrier：

字面意思是可循环(Cyclic)使用的屏障（Barrier）。他要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活，线程进入屏障通过CyclicBarrier的await()方法。可以用于批量发送消息队列信息、异步限流。

Semaphore：

信号量主要用于两个目的，一个是用于多个共享资源的互斥作用，另一个用于并发线程数的控制。SpringHystrix限流的思想 

具体使用案例：保证多个线程的执行顺序，参考我的另一篇文章：北京--面试1（设计模式、反射、队列、线程、锁、Linux命令、JVM调优参数）-CSDN博客

四、附：AQS序图