簡介

Java併發包（java.util.concurrent）中提供了很多併發工具，這其中，很多我們耳熟能詳的併發工具，譬如ReentrantLock、Semaphore，CountDownLatch，CyclicBarrier，它們的實現都用到了一個共同的基類 - AbstractQueuedSynchronizer，簡稱AQS。AQS提供了一種原子式管理同步狀態、阻塞和喚醒執行緒功能以及佇列模型的簡單框架。是一個用來構建鎖和同步器的框架，使用AQS能簡單且高效地構造出應用廣泛的大量的同步器，比如我們提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的諸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基於AQS的。

設計思想

同步器背後的基本思想非常簡單，可以參考AQS作者 Doug Lea 的論文：The java.util.concurrent Synchronizer Framework。同步器一般包含兩種方法，一種是acquire，另一種是release。

• acquire操作阻塞呼叫的執行緒，直到同步狀態允許其繼續執行。
• release操作則是改變同步狀態，使得一或多個被acquire阻塞的執行緒繼續執行。

其中acquire操作虛擬碼如下：

while (synchronization state does not allow acquire) {
    enqueue current thread if
 
 not already queued;
    possibly block current thread;
}
dequeue current thread if it was queued;

release操作虛擬碼如下：

update synchronization state;
if (state may permit a blocked thread to acquire)
    unblock one or more queued threads;

為了實現上述操作，需要下面三個基本元件的相互協作：

• 同步狀態的原子性管理；
• 執行緒的阻塞與解除阻塞；
• 佇列的管理；

AQS框架藉助於兩個類：Unsafe(提供CAS操作) 和 LockSupport(提供park/unpark操作)。

1. 同步狀態的原子性管理

AQS類使用單個int（32位）來儲存同步狀態，並暴露出getState、setState以及compareAndSet操作來讀取和更新這個狀態。該整數可以表現任何狀態。比如， Semaphore 用它來表現剩餘的許可數，ReentrantLock 用它來表現擁有它的執行緒已經請求了多少次鎖；FutureTask 用它來表現任務的狀態(尚未開始、執行、完成和取消)。

如JDK的文件中所說，使用AQS來實現一個同步器需要覆蓋實現如下幾個方法，並且使用getState，setState，compareAndSetState這幾個方法來設定或者獲取狀態。

• boolean tryAcquire(int arg)

• boolean tryRelease(int arg)

• int tryAcquireShared(int arg)

• boolean tryReleaseShared(int arg)

• boolean isHeldExclusively()

以上方法不需要全部實現，根據獲取的鎖的種類可以選擇實現不同的方法，支援獨佔(排他)獲取鎖的同步器應該實現tryAcquire、 tryRelease、isHeldExclusively而支援共享獲取的同步器應該實現tryAcquireShared、tryReleaseShared、isHeldExclusively。下面以 CountDownLatch 舉例說明基於AQS實現同步器, CountDownLatch 用同步狀態持有當前計數，countDown方法呼叫 release從而導致計數器遞減；當計數器為0時，解除所有執行緒的等待；await呼叫acquire，如果計數器為0，acquire 會立即返回，否則阻塞。

參考資料

• The java.util.concurrent Synchronizer Framework - AQS框架作者Doug Lea的論文
• The j.u.c Synchronizer Framework翻譯(二)設計與實現
• Java多執行緒（九）之ReentrantLock與Condition