前言
AbstractQueuedSynchronizer 抽象队列同步器，简称 AQS 。是在 JUC 包下面一个非常重要的基础组件，JUC 包下面的并发锁 ReentrantLock CountDownLatch 等都是基于 AQS 实现的。所以想进一步研究锁的底层原理，非常有必要先了解 AQS 的原理。
介绍
先看下 AQS 的类图结构，以及源码注释，有一定的大概了解之后再从源码入手，一步一步研究它的底层原理。
" 源码注释
提供了实现阻塞锁和相关同步器依靠先入先出（FIFO）等待队列（信号量，事件等）的框架。 此类中设计了一个对大多数基于 AQS 的同步器有用的原子变量来表示状态（state）。 子类必须定义 protected 方法来修改这个 state，并且定义 state 值在对象中的具体含义是 acquired 或 released。 考虑到这些，在这个类中的其他方法可以实现所有排队和阻塞机制。 子类可以保持其他状态字段，但只能使用方法 getState 、setState 和 compareAndSetState 以原子方式更新 state 。
子类应被定义为用于实现其封闭类的同步性能的非公共内部辅助类。 类AbstractQueuedSynchronizer没有实现任何同步接口。 相反，它定义了一些方法，如 acquireInterruptibly 可以通过具体的锁和相关同步器来调用适当履行其公共方法。
此类支持独占模式和共享模式。 在独占模式下，其他线程不能获取成功，共享模式下可以（但不一定）获取成功。 此类不“理解”，在机械意义上这些不同的是，当共享模式获取成功，则下一个等待的线程（如果存在）也必须确定它是否能够获取。 线程在不同模式下的等待共享相同的FIFO队列。 通常情况下，实现子类只支持其中一种模式，但同时使用两种模式也可以，例如ReadWriteLock 。 仅共享模式不需要定义支持未使用的模式的方法的子类。
这个类中定义了嵌套类 AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject ，可用于作为一个 Condition 由子类实现，并使用 isHeldExclusively 方法说明当前线程是否以独占方式进行，release()、 getState() acquire() 方法用于操作 state 原子变量。
此类提供检查和监视内部队列的方法，以及类似方法的条件对象。 根据需要进使用以用于它们的同步机制。
要使用这个类用作同步的基础上，需要重新定义以下方法，如使用，通过检查和或修改 getState 、setState 或 compareAndSetState 方法：
tryAcquire tryRelease tryAcquireShared tryReleaseShared isHeldExclusively
"
通过上面的注释可以得出大概的印象：
- 内部依靠先入先出（FIFO） 等待队列。
- 存在 state 表示状态信息。state 值只能用 getState 、setState 和 compareAndSetState 方法以原子方式更新。
- 支持独占模式和共享模式，但具体需要子类实现具体支持哪种模式。
- 嵌套 AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject 可以作为 Condition 由子类实现。
- 子类需要重新定义 tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared、tryReleaseShared、isHeldExclusively 方法。
队列节点 Node
Node节点，包含以下元素：
| 元素 | 含义 |
| prev | 上一个节点 |
| next | 下一个节点 |
| thread | 持有线程 |
| waitStatus | 节点状态 |
| nextWaiter | 下一个处于 CONDITION 状态的节点 |
组合成等待队列则如下：
下面是等待队列节点的 Node 属性：
static final class Node { // 节点正在共享模式下等待的标记 static final Node SHARED = new Node(); // 指示节点正在以独占模式等待的标记 static final Node EXCLUSIVE = null; // 指示线程已取消 static final int CANCELLED = 1; // 指示后续线程需要唤醒 static final int SIGNAL = -1; // 指示线程正在等待条件 static final int CONDITION = -2; // 指示下一次acquireShared应该无条件传播 static final int PROPAGATE = -3; /** * 状态字段，仅使用以下值 * SIGNAL -1 ：当前节点释放或者取消时，必须 unpark 他的后续节点。 * CANCELLED 1 ：由于超时（timeout）或中断（interrupt），该节点被取消。节点永远不会离开此状态。特别是，具有取消节点的线程永远不会再次阻塞。 * CONDITION -2 ：该节点目前在条件队列。 但它不会被用作同步队列节点，直到转移，转移时的状态将被设置为 0 。 * PROPAGATE -3 ：releaseShared 应该被传播到其他节点。 * 0：都不是 * 值以数字表示以简化使用，大多数时候可以检查符号（是否大于0）以简化使用 */ volatile int waitStatus; // 上一个节点 volatile Node prev; // 下一个节点 volatile Node next; // 节点持有线程 volatile Thread thread; // 链接下一个等待条件节点，或特殊值共享 Node nextWaiter; // 节点是否处于 共享状态 是， 返回 true final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } // 返回前一个节点， 使用时 前一个节点不能为空 final Node predecessor() throws NullPointerException { Node p = prev; if (p == null) throw new NullPointerException(); else return p; } Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker } Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; } }
在 Node 节点中需要重点关注 waitStatus
- 默认状态为 0；
- waitStatus > 0 (CANCELLED 1) 说明该节点超时或者中断了，需要从队列中移除；
- waitStatus = -1 SIGNAL 当前线程的前一个节点的状态为 SIGNAL，则当前线程需要阻塞（unpark）；
- waitStatus = -2 CONDITION -2 ：该节点目前在条件队列；
- waitStatus = -3 PROPAGATE -3 ：releaseShared 应该被传播到其他节点，在共享锁模式下使用。
了解完 Node 的结构之后，再了解下 AQS 结构，并从常用方法入手，逐步了解具体实现逻辑。
AbstractQueuedSynchronizer
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { // 等待队列的头，延迟初始化。 除了初始化，它是仅经由方法setHead修改。 注意：如果头存在，其waitStatus保证不会是 CANCELLED 状态 private transient volatile Node head; // 等待队列的尾部，延迟初始化。 仅在修改通过方法ENQ添加新节点等待。 private transient volatile Node tail; // 同步状态 private volatile int state; // 获取状态 protected final int getState() { return state; } // 设置状态值 protected final void setState(int newState) { state = newState; } // 原子更新状态值 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } }
在 AQS 中主要参数为：
| 参数 | 含义 |
| head | 等待队列头 |
| tail | 等待队列尾 |
| state | 同步状态 |
通过注释了解到，在 AQS 里主要分为两种操作模式，分别是：独占模式、共享模式，下面分别从两个不同的角度去分析源码。
| 操作 | 含义 |
| acquire | 以独占模式获取，忽略中断。 通过调用至少一次实施tryAcquire ，在成功时返回。 否则，线程排队，可能重复查封和解封，调用tryAcquire直到成功为止。 这种方法可以用来实现方法Lock.lock 。 |
| release | 以独占模式释放。 通过疏通一个或多个线程，如果实现tryRelease返回true。 这种方法可以用来实现方法Lock.unlock 。 |
| acquireShared | 获取在共享模式下，忽略中断。 通过至少一次第一调用实现tryAcquireShared ，在成功时返回。 否则，线程排队，可能重复查封和解封，调用tryAcquireShared直到成功为止。 |
| releaseShared | 以共享模式释放。 通过疏通一个或多个线程，如果实现tryReleaseShared返回true。 |
无论是共享模式还是独占模式在这里面都会用到 addWaiter 方法，将当前线程及模式创建排队节点。
独占模式
获取独占资源 acquire
public final void acquire(int arg) { // tryAcquire 尝试获取 state，获取失败则会加入到队列 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
在独占模式下会尝试获取 state，当获取失败时会调用 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)。
- tryAcquire(arg)，尝试获取 state 这块由子类自己实现，不同的子类逻辑不同，这块在介绍子类代码时会说明。
- 获取 state 失败后，会进行 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，这块代码可以拆分为两块：addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，acquireQueued(node, arg)。
- addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 返回的是当前新创建的节点。
- acquireQueued(node, arg) 线程获取锁失败，使用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 放入等待队列，而 acquireQueued(node, arg) 使用循环，不断的为队列中的节点去尝试获取资源，直到获取成功或者被中断。
总结获取资源主要分为三步：
- 尝试获取资源
- 入队列
- 出队列
尝试获取资源 tryAcquire(arg)，由子类实现，那下面则着手分别分析 入队列、出队列。
入队列：addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
使用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 方法将节点插入到队列中，步骤如下：
- 根据传入的模式创建节点
- 判断尾节点是否存在，不存在则需要使用
enq(node)方法初始化节点，存在则直接尝试插入尾部。 尝试插入尾部时使用 CAS 插入，防止并发情况，如果插入失败，会调用enq(node)自旋直到插入。
private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 定位到队列末尾的 node Node pred = tail; if (pred != null) { // 新节点的上一个节点 指向尾节点 node.prev = pred; // 使用 CAS 设置尾节点，tail 如果等于 pred 则更新为 node if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 更新成功则将 pred 的下一个节点指向 node pred.next = node; return node; } } // 尾节点没有初始化，或竞争失败，自旋 enq(node); return node; } /** * tailOffset 也就是成员变量 tail 的值 * 此处相当于：比较 tail 的值和 expect 的值是否相等， 相等则更新为 update */ private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update); } private final boolean compareAndSetHead(Node update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update); } private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; // 尾节点为空 需要初始化头节点，此时头尾节点是一个 if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { // 不为空 循环赋值 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
看完代码和注释肯定还是有点模糊，现在用图一步一步进行说明。
因为根据初始尾节点是否为空分为两种情况，这里使用两幅图：
- 第一幅为第一次添加节点，此时 head 会延迟初始化；
- 第二幅图为已经存在队列，进行插入节点；
- 注意看代码，enq 方法返回的是
之前的尾节点； - addWaiter 方法 返回的是
当前插入的新创建的节点。
节点添加到队列之后，返回当前节点，而下一步则需要调用方法 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 不断的去获取资源。
出队列：acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
方法会通过循环不断尝试获取拿到资源，直到成功。代码如下：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // 是否拿到资源 boolean failed = true; try { // 中断状态 boolean interrupted = false; // 无限循环 for (;;) { // 当前节点之前的节点 final Node p = node.predecessor(); // 前一个节点是头节点， 说明当前节点是 头节点的 next 即真实的第一个数据节点 （因为 head 是虚拟节点） // 然后再尝试获取资源 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 获取成功之后 将头指针指向当前节点 setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // p 不是头节点， 或者 头节点未能获取到资源 （非公平情况下被别的节点抢占） // 判断 node 是否要被阻塞， if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
- 不断获取本节点的上一个节点是否为 head，因为 head 是虚拟节点，如果当前节点的上一个节点是 head 节点，则当前节点为
第一个数据节点； - 第一个数据节点不断的去获取资源，获取成功，则将 head 指向当前节点；
- 当前节点不是头节点，或者
tryAcquire(arg)失败（失败可能是非公平锁）。这时候需要判断前一个节点状态决定当前节点是否要被阻塞（前一个节点状态是否为 SIGNAL）。
/** * 根据上一个节点的状态，判断当前线程是否应该被阻塞 * SIGNAL -1 ：当前节点释放或者取消时，必须 unpark 他的后续节点。 * CANCELLED 1 ：由于超时（timeout）或中断（interrupt），该节点被取消。节点永远不会离开此状态。特别是，具有取消节点的线程永远不会再次阻塞。 * CONDITION -2 ：该节点目前在条件队列。 但它不会被用作同步队列节点，直到转移，转移时的状态将被设置为 0 。 * PROPAGATE -3 ：releaseShared 应该被传播到其他节点。 * 0：都不是 * */ private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { // 前一个节点的等待状态 int ws = pred.waitStatus; // 前一个节点需要 unpark 后续节点 if (ws == Node.SIGNAL) return true; // 当前节点处于取消状态 if (ws > 0) { do { // 将取消的节点从队列中移除 node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { // 设置前一个节点为 SIGNAL 状态 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
在 shouldParkAfterFailedAcquire 方法中，会判断前一个节点的状态，同时取消在队列中当前节点前面无效的节点。
再继续阅读 出队列 acquireQueued 方法，发现有一个 finally 会判断状态后执行 cancelAcquire(node); ，也就是上面流程图中下面的红色方块。
cancelAcquire(Node node)
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // 是否拿到资源 boolean failed = true; try { // 省略 // 在 finally 会将当前节点置为取消状态 } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } private void cancelAcquire(Node node) { // 节点不存在 直接返回 if (node == null) return; // 取消节点关联线程 node.thread = null; //跳过已经取消的节点，获取当前节点之前的有效节点 Node pred = node.prev; while (pred.waitStatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; // 获取当前节点之前的有效节点的下一个节点 Node predNext = pred.next; // 当前节点设置为取消 node.waitStatus = Node.CANCELLED; // 当前节点如果是尾节点，则将最后一个有效节点设置为尾节点，并将 predNext 设置为空 if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { compareAndSetNext(pred, predNext, null); } else { int ws; // pred 不是头节点(node 的上一个有效节点 不是 head) && （ pred的状态是 SIGNAL || pred 的状态设置为 SIGNAL 成功 ） && pred 的绑定线程不为空 if (pred != head && ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && pred.thread != null) { // 当前节点的后继节点 Node next = node.next; // 后继节点不为空 且 状态有效 将 pred 的 后继节点设置为 当前节点的后继节点 if (next != null && next.waitStatus <= 0) compareAndSetNext(pred, predNext, next); } else { // node 的上一个有效节点 是 head， 或者其他情况 唤醒当前节点的下一个有效节点 unparkSuccessor(node); } node.next = node; // help GC } } private void unparkSuccessor(Node node) { // 判断当前节点状态 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) // 将节点状态更新为 0 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 下一个节点， 一般是下一个节点应该就是需要唤醒的节点，即颁发证书。 Node s = node.next; // 大于 0 CANCELLED ： 线程已取消 // 但是有可能 后继节点 为空或者被取消了。 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 从尾节点开始遍历，直到定位到 t.waitStatus <= 0 的节点 // 定位到后并不会停止，会继续执行，相当于找到最开始的那个需要唤醒的节点 // t.waitStatus <= 0 ： SIGNAL（ -1 后续线程需要释放） // CONDITION （ -2 线程正在等待条件） // PROPAGATE （ -3 releaseShared 应该被传播到其他节点） for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } // 定位到需要唤醒的节点后 进行 unpark if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }
流程分析：
- 找到当前节点的前一个非无效节点 pred；
- 当前节点如果是尾节点，则将最后一个有效节点设置为尾节点，并将 predNext 设置为空；
- pred 不是头节点 && （ pred的状态是 SIGNAL || pred 的状态设置为 SIGNAL 成功 ） && pred 的绑定线程不为空；
- 其他情况。
下面分别画图：
Q: 通过图可以看出来，只操作了 next 指针，但是没有操作 prev 指针，这是为什么呢？
A: 在 出队列：acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 方法中，shouldParkAfterFailedAcquire 方法会判断前一个节点的状态，同时取消在队列中当前节点前面无效的节点。这时候会移除之前的无效节点，此处也是为了防止指向一个已经被移除的节点。同时保证 prev 的稳定，有利于从 tail 开始遍历列表，这块在 unparkSuccessor(node); 中也可以看到是从后往前表里列表。
Q: unparkSuccessor(Node node) 为什么从后往前遍历？
A:
在 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 插入新节点时，使用的是 尾插法，看红框部分，此时有可能还未指向next。
Q: node.next = node; 这块导致 head不是指向最新节点，链表不就断了么？A： acquireQueued 方法介绍中，里面有个循环，会不断尝试获取资源，成功之后会设置为 head。并且在 shouldParkAfterFailedAcquire 中也会清除当前节点前的无效节点。
释放独占资源 release
public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
以独占模式释放。 通过释放一个或多个线程，如果实现tryRelease返回true。 这种方法可以用来实现方法Lock.unlock 。
- tryRelease(arg) 操作释放资源，同样是由子类实现，后面介绍子类时会进行说明。返回 true 说明资源现在已经没有线程持有了，其他节点可以尝试获取；
- 释放成功，且 head != null && h.waitStatus != 0, 会继续执行 unparkSuccessor(h)；
- 这块会看到 只要 tryRelease(arg) 操作释放资源成功， 后面无论执行是否成功，都会返回 true，unparkSuccessor(h) 相当于只是附加操作。
