思维导图

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一、什么是AQS

谈到并发编程，不得不说AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，这可谓是Doug Lea老爷子的大作之一。AQS即是抽象队列同步器，是用来构建Lock锁和同步组件的基础框架，很多我们熟知的锁和同步组件都是基于AQS构建，比如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore。

实际上AQS是一个抽象类，我们不妨先看一下源码：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    //头结点
    private transient volatile Node head;
    //尾节点
    private transient volatile Node tail;
    //共享状态
    private volatile int state;
    
    //内部类，构建链表的Node节点
    static final class Node {
        volatile Node prev;
        volatile Node next;
        volatile Thread thread;
    }
}
//AbstractQueuedSynchronizer的父类
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    //占用锁的线程
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;
}

由源码可以看出AQS是有以下几个部分组成的：

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1.1 state共享变量

AQS中里一个很重要的字段state，表示同步状态，是由volatile修饰的，用于展示当前临界资源的获锁情况。通过getState()，setState()，compareAndSetState()三个方法进行维护。

private volatile int state;

protected final int getState() {
    return state;
}
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}
//CAS操作
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

关于state的几个要点：

使用volatile修饰，保证多线程间的可见性。
getState()、setState()、compareAndSetState()使用final修饰，限制子类不能对其重写。
compareAndSetState()采用乐观锁思想的CAS算法，保证原子性操作。

1.2 CLH队列

AQS里另一个重要的概念就是CLH队列，它是一个双向链表队列，其内部由head和tail分别记录头结点和尾结点，队列的元素类型是Node。

简单讲一下这个队列的作用，就是当一个线程获取同步状态(state)失败时，AQS会将此线程以及等待的状态等信息封装成Node加入到队列中，同时阻塞该线程，等待后续的被唤醒。

队列的元素就是一个个的Node节点，下面讲一下Node节点的组成：

static final class Node {
    //共享模式下的等待标记
    static final Node SHARED = new Node();
    //独占模式下的等待标记
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    //表示当前节点的线程因为超时或者中断被取消
    static final int CANCELLED =  1;
    //表示当前节点的后续节点的线程需要运行，也就是通过unpark操作
    static final int SIGNAL    = -1;
    //表示当前节点在condition队列中
    static final int CONDITION = -2;
    //共享模式下起作用，表示后续的节点会传播唤醒的操作
    static final int PROPAGATE = -3;
    //状态，包括上面的四种状态值，初始值为0，一般是节点的初始状态
    volatile int waitStatus;
    //上一个节点的引用
    volatile Node prev;
    //下一个节点的引用
    volatile Node next;
    //保存在当前节点的线程引用
    volatile Thread thread;
    //condition队列的后续节点
    Node nextWaiter;
}

1.3 exclusiveOwnerThread

AQS通过继承AbstractOwnableSynchronizer类，拥有的属性。表示独占模式下同步器的持有者。

二、AQS的实现原理

AQS有两种模式，分别是独占式和共享式。

2.1 独占式

同一时刻仅有一个线程持有同步状态，也就是其他线程只有在占有的线程释放后才能竞争，比如ReentrantLock。下面从源码切入，梳理独占式的实现思路。

首先看acquire()方法，这是AQS在独占模式下获取同步状态的方法。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

先讲这个方法的总体思路：

tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回。
如果失败则调用addWaiter()方法把当前线程包装成Node(状态为EXCLUSIVE，标记为独占模式)插入到CLH队列末尾。
然后acquireQueued()方法使线程阻塞在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回，如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

我们展开来分析，看tryAcquire()方法，尝试获取资源，成功返回true，失败返回false。

//直接抛出异常，这是由子类进行实现的方法，体现了模板模式的思想
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

为什么没有具体实现呢，其实这是模板模式的思想。这个方法是尝试获取资源，但是获取资源的方式有很多种实现，比如公平锁有公平锁的获取方式，非公平锁有非公平锁的获取方式(后面会讲，别急)。所以这里是一个没有具体实现的方法，需要由子类去实现。

接着看addWaiter()方法，这个方法的作用是把当前线程包装成Node添加到队列中。

private Node addWaiter(Node mode) {
    //把当前线程包装成Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    //获取到尾结点
    Node pred = tail;
    //判断尾结点是否为null，如果不为空，那就证明队列已经初始化了
    if (pred != null) {
        //已经初始化了，就直接把Node节点添加到队列的末尾
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            //返回包含当前线程的节点Node
            return node;
        }
    }
    //如果队列没有初始化，那就调用enq()方法
    enq(node);
    return node;
}

接着我们看enq()方法，就是一个自旋的操作，把传进来的node添加到队列最后，如果队列没有初始化则进行初始化。

private Node enq(final Node node) {
    //自旋操作，也就是死循环，只有加入队列成功才会return
    for (;;) {
        //把尾结点赋值给t
        Node t = tail;
        //如果为空，证明没有初始化，进行初始化
        if (t == null) { // Must initialize
            //创建一个空的Node节点，并且设置为头结点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                //然后把头结点赋值给尾结点
                tail = head;
        } else {
            //如果是第一次循环为空，就已经创建了一个一个Node，那么第二次循环就不会为空了
            //如果尾结点不为空，就把传进来的node节点的前驱节点指向尾结点
            node.prev = t;
            //cas原子性操作，把传进来的node节点设置为尾结点
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                //把原来的尾结点的后驱节点指向传进来的node节点
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

接着我们再把思路跳回去顶层的方法，看acquireQueued()方法。

//在队列中的节点node通过acquireQueued()方法获取资源，忽略中断。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        //自旋的操作，一个死循环
        for (;;) {
            //获取传进来的node节点的前驱节点，赋值给p
            final Node p = node.predecessor();
            //如果p是头结点，node节点就是第二个节点，则再次去尝试获取资源
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //tryAcquire(arg)获取资源成功的话，则把node节点设置为头结点
                setHead(node);
                //把原来的头结点p的后驱节点设置为null，等待GC垃圾回收
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //如果p不是头结点，或者tryAcquire()获取资源失败，判断是否可以被park，也就是把线程阻塞起来
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())//&&前面如果返回true，将当前线程阻塞并检查是否被中断
                //如果阻塞过程中被中断，则置interrupted标志位为true。
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

最后是selfInterrupt()方法，自我中断。

static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

过程记不住没关系，下面画张图来总结一下，其实很简单。

2.2 共享式

即共享资源可以被多个线程同时占有，直到共享资源被占用完毕。比如ReadWriteLock和CountdownLatch。下面我们从源码去分析其实现原理。

首先还是看最顶层的acquireShared()方法。

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

这段代码很简单，首先调用tryAcquireShared()方法，tryAcquireShared返回是一个int数值，当返回值大于等于0的时候，说明获得成功获取锁，方法结束，否则返回负数，表示获取同步状态失败，执行doAcquireShared方法。

tryAcquireShared()方法是一个模板方法由子类去重写，意思是需要如何获取同步资源由实现类去定义，AQS只是一个框架。

那么就看如果获取资源失败，执行的doAcquireShared()方法。

private void doAcquireShared(int arg) {
    //调用addWaiter()方法，把当前线程包装成Node，标志为共享式，插入到队列中
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //获取当前节点node的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            //前驱节点是否是头结点
            if (p == head) {
                //如果前驱节点是头结点，则调用tryAcquireShared()获取同步资源
                int r = tryAcquireShared(arg);
                //r>=0表示获取同步资源成功，只有获取成功，才会执行到return退出for循环
                if (r >= 0) {
                    //设置node为头结点
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            //判断是否可以被park，跟独占式的逻辑一样返回true，则进行park操作，阻塞线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

这段逻辑基本上跟独占式的逻辑差不多，不同的地方在于入队的Node是标志为SHARED共享式的，获取同步资源的方式是tryAcquireShared()方法。

三、AQS的模板模式

模板模式在AQS中的应用可谓是一大精髓，在上文中有提到的tryAcquireShared()和tryAcquire()都是很重要的模板方法。一般使用AQS往往都是使用一个内部类继承AQS，然后重写相应的模板方法。

AQS已经把一些常用的，比如入队，出队，CAS操作等等构建了一个框架，使用者只需要实现获取资源，释放资源的，因为很多锁，还有同步器，其实就是获取资源和释放资源的方式有比较大的区别。

那么我们看一下模板方法有哪些。

3.1 tryAcquire()

tryAcquire()方法，独占式获取同步资源，返回true表示获取同步资源成功，false表示获取失败。

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

3.2 tryRelease()

tryRelease()方法，独占式使用，tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放资源，子类来决定是否能成功释放锁。

protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

3.3 tryAcquireShared()

tryAcquireShared()方法，共享式获取同步资源，返回大于等于0表示获取资源成功，返回小于0表示失败。

protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

3.4 tryReleaseShared()

tryReleaseShared()方法，共享式尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

3.5 isHeldExclusively()

isHeldExclusively()方法，该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

四、认识ReentrantLock

ReentrantLock是一个很经典的使用AQS的案例，不妨以此为切入点来继续深入。ReentrantLock的特性有很多，首先它是一个悲观锁，其次有两种模式分别是公平锁和非公平锁，最后它是重入锁，也就是能够对共享资源重复加锁。

AQS通常是使用内部类实现，所以不难想象在ReentrantLock类里有两个内部类，我们看一张类图。
在这里插入图片描述
FairSync是公平锁的实现，NonfairSync则是非公平锁的实现。通过构造器传入的boolean值进行判断。

public ReentrantLock(boolean fair) {
    //true则使用公平锁，false则使用非公平锁
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
//默认是非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

公平锁是遵循FIFO（先进先出）原则的，先到的线程会优先获取资源，后到的线程会进行排队等待，能保证每个线程都能拿到锁，不会存在有线程饿死的情况。

非公平锁是则不遵守先进先出的原则，会出现有线程插队的情况，不能保证每个线程都能拿到锁，会存在有线程饿死的情况。

下面我们从源码分析去找出这两种锁的区别。

五、源码分析ReentrantLock

5.1 上锁

ReentrantLock是通过lock()方法上锁，所以看lock()方法。

public void lock() {
    sync.lock();
}

sync就是NonfairSync或者FairSync。

//这里就是调用AQS的acquire()方法，获取同步资源
final void lock() {
    acquire(1);
}

acquire()方法前面已经解析过了，主要看FairSync的tryAcquire()方法。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //获取同步状态
    int c = getState();
    //判断同步状态是否为0
    if (c == 0) {
        //关键在这里，公平锁会判断是否需要排队
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            //如果不需要排队，则直接cas操作更新同步状态为1
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            //设置占用锁的线程为当前线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            //返回true，表示上锁成功
            return true;
        }
    }
    //判断当前线程是否是拥有锁的线程，主要是可重入锁的逻辑
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //如果是当前线程，则同步状态+1
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //设置同步状态
        setState(nextc);
        return true;
    }
    //以上情况都不是，则返回false，表示上锁失败。上锁失败根据AQS的框架设计，会入队排队
    return false;
}

如果是非公平锁NonfairSync的tryAcquire()，我们继续分析。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}
//非公平式获取锁
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    //这段跟公平锁是一样的操作
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //关键在这里，不再判断是否需要排队，而是直接去更新同步状态，通俗点讲就是插队
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            //如果获取同步状态成功，则设置占用锁的线程为当前线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            //返回true表示获取锁成功
            return true;
        }
    }
    //以下逻辑跟公平锁的逻辑一样
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

其实很明显了，关键的区别就在于尝试获取锁的时候，公平锁会判断是否需要排队再去更新同步状态，非公平锁是直接就更新同步，不判断是否需要排队。

从性能上来说，公平锁的性能是比非公平锁要差的，因为公平锁要遵守FIFO(先进先出)的原则，这就会增加了上下文切换与等待线程的状态变换时间。

非公平锁的缺点也是很明显的，因为允许插队，这就会存在有线程饿死的情况。

5.2 解锁

解锁对应的方法就是unlock()。

public void unlock() {
    //调用AQS中的release()方法
    sync.release(1);
}
//这是AQS框架定义的release()方法
public final boolean release(int arg) {
    //当前锁是不是没有被线程持有,返回true表示该锁没有被任何线程持有
    if (tryRelease(arg)) {
        //获取头结点h
        Node h = head;
        //判断头结点是否为null并且waitStatus不是初始化节点状态，解除线程挂起状态
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

关键在于tryRelease()，这就不需要分公平锁和非公平锁的情况，只需要考虑可重入的逻辑。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //减少可重入的次数
    int c = getState() - releases;
    //如果当前线程不是持有锁的线程，抛出异常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 如果持有线程全部释放，将当前独占锁所有线程设置为null，并更新state
    if (c == 0) {
        //状态为0，表示持有线程被全部释放，设置为true
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

总结

JUC可谓是学习java的一个难点，而学习AQS其实关键在于并发的思维，因为需要考虑的情况很多，其次需要理解模板模式的思想，这才能理解为什么AQS作为一个框架的作用。ReentrantLock这个类我觉得是理解AQS一个很好的切入点，看懂了之后再去看AQS的其他应用类应该会轻松很多。

那么这篇文章就讲到这里了，希望看完能有所收获，感谢你的阅读。

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我是一个努力让大家记住的程序员。我们下期再见！！！
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能力有限，如果有什么错误或者不当之处，请大家批评指正，一起学习交流！

5千字详细讲解java并发编程的AQS

思维导图

一、什么是AQS

1.1 state共享变量

1.2 CLH队列

1.3 exclusiveOwnerThread

二、AQS的实现原理

2.1 独占式

2.2 共享式

三、AQS的模板模式

3.1 tryAcquire()

3.2 tryRelease()

3.3 tryAcquireShared()

3.4 tryReleaseShared()

3.5 isHeldExclusively()

四、认识ReentrantLock

五、源码分析ReentrantLock

5.1 上锁

5.2 解锁

总结

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1.3 exclusiveOwnerThread

二、AQS的实现原理

2.1 独占式

2.2 共享式

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3.1 tryAcquire()

3.2 tryRelease()

3.3 tryAcquireShared()

3.4 tryReleaseShared()

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