前言
谈到并发，我们不得不说AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，所谓的AQS即是抽象的队列式的同步器，内部定义了很多锁相关的方法，我们熟知的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore等都是基于AQS来实现的。
我们先看下AQS相关的UML图：
思维导图（高清无损 AV 画质长图.pdf 关注公众号回复 AQS 获取）
AQS实现原理
AQS中 维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。
这里volatile能够保证多线程下的可见性，当state=1则代表当前对象锁已经被占有，其他线程来加锁时则会失败，加锁失败的线程会被放入一个FIFO的等待队列中，比列会被UNSAFE.park()操作挂起，等待其他获取锁的线程释放锁才能够被唤醒。
另外state的操作都是通过CAS来保证其并发修改的安全性。
具体原理我们可以用一张图来简单概括：
AQS 中提供了很多关于锁的实现方法，
- getState()：获取锁的标志state值
- setState()：设置锁的标志state值
- tryAcquire(int)：独占方式获取锁。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryRelease(int)：独占方式释放锁。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
这里还有一些方法并没有列出来，接下来我们以ReentrantLock作为突破点通过源码和画图的形式一步步了解AQS内部实现原理。
目录结构
文章准备模拟多线程竞争锁、释放锁的场景来进行分析AQS源码：
三个线程(线程一、线程二、线程三)同时来加锁/释放锁
目录如下：
- 线程一加锁成功时
AQS内部实现 - 线程二/三加锁失败时
AQS中等待队列的数据模型 - 线程一释放锁及线程二获取锁实现原理
- 通过线程场景来讲解公平锁具体实现原理
- 通过线程场景来讲解Condition中a
wait()和signal()实现原理
这里会通过画图来分析每个线程加锁、释放锁后AQS内部的数据结构和实现原理
场景分析
线程一加锁成功
如果同时有三个线程并发抢占锁，此时线程一抢占锁成功，线程二和线程三抢占锁失败，具体执行流程如下：
此时AQS内部数据为：
线程二、线程三加锁失败：
有图可以看出，等待队列中的节点Node是一个双向链表，这里SIGNAL是Node中waitStatus属性，Node中还有一个nextWaiter属性，这个并未在图中画出来，这个到后面Condition会具体讲解的。
具体看下抢占锁代码实现：
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock .NonfairSync:
static final class NonfairSync extends Sync { final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } }
这里使用的ReentrantLock非公平锁，线程进来直接利用CAS尝试抢占锁，如果抢占成功state值回被改为1，且设置对象独占锁线程为当前线程。如下所示：
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { exclusiveOwnerThread = thread; }
线程二抢占锁失败
我们按照真实场景来分析，线程一抢占锁成功后，state变为1，线程二通过CAS修改state变量必然会失败。此时AQS中FIFO(First In First Out 先进先出)队列中数据如图所示：
我们将线程二执行的逻辑一步步拆解来看：
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire():
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
先看看tryAcquire()的具体实现：java.util.concurrent.locks.ReentrantLock .nonfairTryAcquire():
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }
nonfairTryAcquire()方法中首先会获取state的值，如果不为0则说明当前对象的锁已经被其他线程所占有，接着判断占有锁的线程是否为当前线程，如果是则累加state值，这就是可重入锁的具体实现，累加state值，释放锁的时候也要依次递减state值。
如果state为0，则执行CAS操作，尝试更新state值为1，如果更新成功则代表当前线程加锁成功。
以线程二为例，因为线程一已经将state修改为1，所以线程二通过CAS修改state的值不会成功。加锁失败。
线程二执行tryAcquire()后会返回false，接着执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)逻辑，将自己加入到一个FIFO等待队列中，代码实现如下：
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter():
private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; }
这段代码首先会创建一个和当前线程绑定的Node节点，Node为双向链表。此时等待对内中的tail指针为空，直接调用enq(node)方法将当前线程加入等待队列尾部：
private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
第一遍循环时tail指针为空，进入if逻辑，使用CAS操作设置head指针，将head指向一个新创建的Node节点。此时AQS中数据：
执行完成之后，head、tail、t都指向第一个Node元素。
接着执行第二遍循环，进入else逻辑，此时已经有了head节点，这里要操作的就是将线程二对应的Node节点挂到head节点后面。此时队列中就有了两个Node节点：
addWaiter()方法执行完后，会返回当前线程创建的节点信息。继续往后执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)逻辑，此时传入的参数为线程二对应的Node节点信息：
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued():
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndChecknIterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) return true; if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; } private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); }
acquireQueued()这个方法会先判断当前传入的Node对应的前置节点是否为head，如果是则尝试加锁。加锁成功过则将当前节点设置为head节点，然后空置之前的head节点，方便后续被垃圾回收掉。
如果加锁失败或者Node的前置节点不是head节点，就会通过shouldParkAfterFailedAcquire方法 将head节点的waitStatus变为了SIGNAL=-1，最后执行parkAndChecknIterrupt方法，调用LockSupport.park()挂起当前线程。
此时AQS中的数据如下图：
此时线程二就静静的待在AQS的等待队列里面了，等着其他线程释放锁来唤醒它。
线程三抢占锁失败
看完了线程二抢占锁失败的分析，那么再来分析线程三抢占锁失败就很简单了，先看看addWaiter(Node mode)方法：
private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; }
此时等待队列的tail节点指向线程二，进入if逻辑后，通过CAS指令将tail节点重新指向线程三。接着线程三调用enq()方法执行入队操作，和上面线程二执行方式是一致的，入队后会修改线程二对应的Node中的waitStatus=SIGNAL。最后线程三也会被挂起。此时等待队列的数据如图：
