Java 多线程并发AbstractQueuedSynchronizer详情

要深入了解Java中的多线程并发AbstractQueuedSynchronizer（AQS）需要掌握以下三个方面的知识：

1. AQS是什么？
2. AQS的使用方式是怎样的？
3. AQS的示例说明是怎样的？

下面将按照这三个方面的顺序逐一讲解。

1. AQS是什么？

AQS是Java.util.concurrent包中的一个类，它是所有同步类的基础。AQS的主要作用是提供了实现协调线程间共享访问并发访问的基础框架，也就是说AQS是实现锁和其他同步工具的关键性组件。

AQS的核心思想是，如果共享资源被占用，那么就需要先排队等待获取共享资源的权限，排队使用FIFO队列进行，当共享资源被释放后，排队等待的线程会依次竞争获取共享资源的权限。因此，AQS提供了同步状态的获取、等待和释放的机制，同时支持线程间挂起与唤醒。

2. AQS的使用方式是怎样的？

AQS的使用方式是通过自定义同步组件来实现，同步组件一般继承AQS类并实现tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared等方法来获取或释放共享资源的权限。

具体的使用步骤如下：

• 继承AQS类并实现tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared等方法
• 使用AQS提供的acquire、acquireShare等方法来实现同步操作
• 应用程序中使用自定义同步组件实现并发控制

以下是一个简单的互斥锁示例，通过继承AQS实现同步组件，使用acquire和release方法实现互斥控制：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class Mutex extends AbstractQueuedSynchronizer {

    // 独占方式获取同步状态，该方法需要查询当前同步状态并判断同步状态是否符合预期，
    // 然后再进行CAS设置同步状态。这里实现的是不可重入锁。
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个状态量
        if (compareAndSetState(0, 1)) { // 使用CAS设置当前状态。如果当前状态为0，则设置为1. 如果当前状态不是0，则表示已经有线程占用该同步状态，返回false
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 设置当前拥有独占访问权限的线程
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 独占方式释放同步状态，该方法会释放掉当前线程所持有的同步状态，
    // 然后将同步状态置为可以被占用的状态。
    protected boolean tryRelease(int releases) {
        assert releases == 1; // 这里限定只能为1个状态量
        if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException(); // 如果当前状态为0，则抛出异常。因为一个未被持有的状态，无法释放
        setExclusiveOwnerThread(null); // 清空当前线程持有的状态
        setState(0); // 将同步状态设置为未被占用状态
        return true;
    }

    // 共享方式获取同步状态，该方法需要查询当前同步状态并判断同步状态是否符合预期，
    // 然后再进行CAS设置同步状态。
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return super.tryAcquireShared(acquires);
    }

    // 共享方式释放同步状态，该方法会释放掉当前线程所持有的同步状态，
    // 然后将同步状态置为可以被占用的状态。
    protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
        return super.tryReleaseShared(releases);
    }

}

其中，tryAcquire和tryRelease方法是实现独占式获取和释放同步状态的方法，而tryAcquireShared和tryReleaseShared方法是实现获取和释放共享式同步状态的方法。对于互斥锁来说，只需要关注tryAcquire和tryRelease方法即可。

3. AQS的示例说明是怎样的？

下面是一个基于AQS实现的阻塞队列的示例说明：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.lang.InterruptedException;

public class BlockingQueue<E> {

    private final Lock lock = new ReentrantLock(); // 锁对象
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 非空条件变量
    private final Condition notFull = lock.newCondition(); // 非满条件变量
    private final Object[] items; // 内部存储结构
    private int count; // 队列中元素的个数
    private int putIndex; // 下一个元素的插入位置
    private int takeIndex; // 下一个元素的删除位置

    public BlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("capacity must be greater than 0"); 
        }
        items = new Object[capacity];
    }

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        lock.lock(); // 加锁
        try {
            while (count == items.length) { // 队列已满，需要等待非满条件
                notFull.await(); // 非满条件变量等待
            }
            items[putIndex] = e; // 插入操作
            if (++putIndex == items.length) { // 如果达到队列内部存储长度，需要回绕
                putIndex = 0; 
            }
            count++;
            notEmpty.signal(); // 唤醒等待非空条件的线程
        } finally {
            lock.unlock(); // 解锁
        }
    }

    public E take() throws InterruptedException {
        lock.lock(); // 加锁
        try {
            while (count == 0) { // 队列为空，需要等待非空条件
                notEmpty.await(); // 非空条件变量等待
            }
            Object item = items[takeIndex]; // 取出操作
            items[takeIndex] = null;  
            if (++takeIndex == items.length) { // 如果达到队列内部存储长度，需要回绕
                takeIndex = 0; 
            }
            count--;
            notFull.signal(); // 唤醒等待非满条件的线程
            return (E) item;
        } finally {
            lock.unlock(); // 解锁
        }
    }

}

这个示例是一个简单的阻塞队列，采用了AQS提供的Lock、Condition等同步工具来实现。当队列为空时，take操作需要等待notEmpty条件变量；当队列已满时，put操作需要等待notFull条件变量。从而实现了阻塞等待的功能，这种情况下，synchronized关键字是无法很好地实现的。