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AQS
AQS原理
AQS：AbstractQuenedSynchronizer抽象的队列式同步器。是除了java自带的synchronized关键字之外的锁机制。
AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在java.util.concurrent.locks包
AQS的核心思想是，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队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
CLH（Craig，Landin，and Hagersten）队列是一个虚拟的双向队列，虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系。
AQS是将每一条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node），来实现锁的分配。
用大白话来说，AQS就是基于CLH队列，用volatile修饰共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒。
**注意：AQS是自旋锁：**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，直到被其他线程获取成功
实现了AQS的锁有：自旋锁、互斥锁、读锁写锁、条件产量、信号量、栅栏都是AQS的衍生物
AQS实现的具体方式如下：
如图示，AQS维护了一个volatile int state和一个FIFO线程等待队列，多线程争用资源被阻塞的时候就会进入这个队列。state就是共享资源，其访问方式有如下三种：
getState();setState();compareAndSetState();
AQS 定义了两种资源共享方式：
1.Exclusive：独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
2.Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier
不同的自定义的同步器争用共享资源的方式也不同。
AQS底层使用了模板方法模式
同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：
- 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
- 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用。
自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法：
isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。
ReentrantLock为例，（可重入独占式锁）：state初始化为0，表示未锁定状态，A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占锁并将state+1.之后其他线程再想tryAcquire的时候就会失败，直到A线程unlock（）到state=0为止，其他线程才有机会获取该锁。A释放锁之前，自己也是可以重复获取此锁（state累加），这就是可重入的概念。
注意：获取多少次锁就要释放多少次锁，保证state是能回到零态的。
以CountDownLatch为例，任务分N个子线程去执行，state就初始化 为N，N个线程并行执行，每个线程执行完之后countDown（）一次，state就会CAS减一。当N子线程全部执行完毕，state=0，会unpark()主调用线程，主调用线程就会从await()函数返回，继续之后的动作。
一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。
在acquire() acquireShared()两种方式下，线程在等待队列中都是忽略中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()是支持响应中断的。
参考文章:
<https://blog.csdn.net/mulinsen77/article/details/84583716>
java语言中有许多原生线程安全的数据结构，比如ArrayBlockingQueue、CopyOnWriteArrayList、LinkedBlockingQueue，它们线程安全的实现方式并非通过synchronized关键字，而是通过java.util.concurrent.locks.ReentrantLock来实现。
ReentrantLock的实现是基于其内部类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)实现的。 其可重入性是基于Thread.currentThread()实现的: 如果当前线程已经获得了执行序列中的锁， 那执行序列之后的所有方法都可以获得这个锁。
公平锁：
公平和非公平锁的队列都基于锁内部维护的一个双向链表，表结点Node的值就是每一个请求当前锁的线程。公平锁则在于每次都是依次从队首取值。
锁的实现方式是基于如下几点：
表结点Node和状态state的volatile关键字。
sum.misc.Unsafe.compareAndSet的原子操作(见附录)。
非公平锁：
在等待锁的过程中， 如果有任意新的线程妄图获取锁，都是有很大的几率直接获取到锁的。
ReentrantLock锁都不会使得线程中断，除非开发者自己设置了中断位。
ReentrantLock获取锁里面有看似自旋的代码，但是它不是自旋锁。
ReentrantLock公平与非公平锁都是属于排它锁。
ReentrantLock的可重入性分析
这里有一篇对锁介绍甚为详细的文章 朱小厮的博客-Java中的锁.
synchronized的可重入性
参考这篇文章： Java内置锁synchronized的可重入性
java线程是基于“每线程（per-thread）”，而不是基于“每调用（per-invocation）”的（java中线程获得对象锁的操作是以每线程为粒度的，per-invocation互斥体获得对象锁的操作是以每调用作为粒度的）
ReentrantLock的可重入性
前言里面提到，ReentrantLock重入性是基于Thread.currentThread()实现的: 如果当前线程已经获得了锁， 那该线程下的所有方法都可以获得这个锁。ReentrantLock的锁依赖只有 NonfairSync和FairSync两个实现类， 他们的锁获取方式大同小异。
可重入性的实现基于下面代码片段的 else if 语句
1 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
2 final Thread current = Thread.currentThread();
3 int c = getState();
4 if (c == 0) {
5 ... // 尝试获取锁成功
6 }
7 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
8 // 是当前线程，直接获取到锁。实现可重入性。
9 int nextc = c + acquires;
10 if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc);
11 return true;
12 }
13 return false;
14 }
此处有两个值需要关心：
1 /**
2 * The current owner of exclusive mode synchronization.
3 * 持有该锁的当前线程
4 */ private transient Thread exclusiveOwnerThread; -----------------两个值不在同一个类---------------- /**
5 * The synchronization state.
6 * 0： 初始状态-无任何线程得到了锁
7 * > 0: 被线程持有， 具体值表示被当前线程持有的执行次数
8 *
9 * 这个字段在解锁的时候也需要用到。
10 * 注意这个字段的修饰词: volatile
11 */ private volatile int state;
ReentrantLock锁的实现分析
公平锁和非公平锁
ReentrantLock 的公平锁和非公平锁都委托了 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 去请求获取。
1 public final void acquire(int arg) {
2 if (!tryAcquire(arg) &&
3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
4 selfInterrupt();
5 }
tryAcquire 是一个抽象方法，是公平与非公平的实现原理所在。
addWaiter 是将当前线程结点加入等待队列之中。公平锁在锁释放后会严格按照等到队列去取后续值，而非公平锁在对于新晋线程有很大优势。
acquireQueued 在多次循环中尝试获取到锁或者将当前线程阻塞。
selfInterrupt 如果线程在阻塞期间发生了中断，调用 Thread.currentThread().interrupt() 中断当前线程。
ReentrantLock 对线程的阻塞是基于 LockSupport.park(this); (见 AbstractQueuedSynchronizer#parkAndCheckInterrupt)。 先决条件是当前节点有限次尝试获取锁失败。
公平锁和非公平锁在说的获取上都使用到了 volatile 关键字修饰的state字段， 这是保证多线程环境下锁的获取与否的核心。
但是当并发情况下多个线程都读取到 state == 0时，则必须用到CAS技术，一门CPU的原子锁技术，可通过CPU对共享变量加锁的形式，实现数据变更的原子操作。
volatile 和 CAS的结合是并发抢占的关键。
公平锁FairSync
公平锁的实现机理在于每次有线程来抢占锁的时候，都会检查一遍有没有等待队列，如果有， 当前线程会执行如下步骤：
1 if (!hasQueuedPredecessors() &&
2 compareAndSetState(0, acquires)) {
3 setExclusiveOwnerThread(current);
4 return true;
5 }
其中hasQueuedPredecessors是用于检查是否有等待队列的。
1 public final boolean hasQueuedPredecessors() {
2 Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
3 Node h = head;
4 Node s;
5 return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread !=
6 Thread.currentThread());
7 }
非公平锁NonfairSync
非公平锁在实现的时候多次强调随机抢占：
1 if (c == 0) {
2 if (compareAndSetState(0, acquires)) {
3 setExclusiveOwnerThread(current);
4 return true;
5 }
6 }
与公平锁的区别在于新晋获取锁的进程会有多次机会去抢占锁。如果被加入了等待队列后则跟公平锁没有区别。
ReentrantLock锁的释放
ReentrantLock锁的释放是逐级释放的，也就是说在 可重入性 场景中，必须要等到场景内所有的加锁的方法都释放了锁， 当前线程持有的锁才会被释放！
释放的方式很简单， state字段减一即可：
1 protected final boolean tryRelease(int releases) {
2 // releases = 1 int c = getState() - releases;
3 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException();
4 boolean free = false;
5 if (c == 0) {
6 free = true;
7 setExclusiveOwnerThread(null);
8 }
9 setState(c);
10 return free;
11 }
ReentrantLock等待队列中元素的唤醒
当当前拥有锁的线程释放锁之后， 且非公平锁无线程抢占，就开始线程唤醒的流程。
通过tryRelease释放锁成功，调用LockSupport.unpark(s.thread); 终止线程阻塞。
见代码：
1 private void unparkSuccessor(Node node) {
2 // 强行回写将被唤醒线程的状态
3 int ws = node.waitStatus;
4 if (ws < 0)
5 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
6 Node s = node.next;
7 // s为h的下一个Node, 一般情况下都是非Null的
8 if (s == null || s.waitStatus > 0) {
9 s = null;
10 // 否则按照FIFO原则寻找最先入队列的并且没有被Cancel的Node
11 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev){
12 if (t.waitStatus <= 0)
13 s = t;
14 // 再唤醒它
15 if (s != null)
16 LockSupport.unpark(s.thread);
17 }
18 }
19 }
参考文章:<https://www.cnblogs.com/little-fly/p/10365109.html>
锁降级、锁升级
锁降级指的是写锁降级成为读锁。如果当前线程拥有写锁，然后将其释放，最后再获取读锁，这种分段完成的过程不能称之为锁降级。锁降级是指把持住（当前拥有的）写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。
接下来看一个锁降级的示例。因为数据不常变化，所以多个线程可以并发地进行数据处
理，当数据变更后，如果当前线程感知到数据变化，则进行数据的准备工作，同时其他处理线程被阻塞，直到当前线程完成数据的准备工作，如代码清单5-19所示。
代码清单5-19 processData方法
public void processData() {
readLock.lock();
if (!update) {
// 必须先释放读锁
readLock.unlock();
// 锁降级从写锁获取到开始
writeLock.lock();
try {
if (!update) {
// 准备数据的流程（略）
update = true;
}
readLock.lock();
} finally {
writeLock.unlock();
}
// 锁降级完成，写锁降级为读锁
}
try {
// 使用数据的流程（略）
} finally {
readLock.unlock();
}
}
上述示例中，当数据发生变更后，update变量（布尔类型且volatile修饰）被设置为false，此时所有访问processData()方法的线程都能够感知到变化，但只有一个线程能够获取到写锁，其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前线程获取写锁完成数据准备之后，再获取
读锁，随后释放写锁，完成锁降级。
锁降级中读锁的获取是否必要呢？答案是必要的。主要是为了保证数据的可见性，如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此刻另一个线程（记作线程T）获取了写锁并修改了数据，那么当前线程无法感知线程T的数据更新。如果当前线程获取读锁，即遵循锁降级的步骤，则线程T将会被阻塞，直到当前线程使用数据并释放读锁之后，线程T才能获取写锁进行数据更新。
RentrantReadWriteLock不支持锁升级（把持读锁、获取写锁，最后释放读锁的过程）。目的也是保证数据可见性，如果读锁已被多个线程获取，其中任意线程成功获取了写锁并更新了数据，则其更新对其他获取到读锁的线程是不可见的。
线程安全性问题总结
完
