AQS 锁核心类详解
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AQS（AbstractQuenedSynchronizer 抽象队列同步器） 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如 ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于 AQS的。AQS是一种提供了原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。当然，我们自己也能利用 AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。AQS 框架如下：上图中有颜色的为Method，无颜色的为Attribution。
总的来说，AQS框架共分为五层，自上而下由浅入深，从 AQS对外暴露的 API到底层基础数据。当有自定义同步器接入时，只需重写第一层所需要的部分方法即可，不需要关注底层具体的实现流程。当自定义同步器进行加锁或者解锁操作时，先经过第一层的API进入AQS内部方法，然后经过第二层进行锁的获取，接着对于获取锁失败的流程，进入第三层和第四层的等待队列处理，而这些处理方式均依赖于第五层的基础数据提供层。
一、AQS 核心思想
AQS核心思想：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，并且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，仅存在结点之间的关联关系)。AQS是将每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。CLH锁是一个自旋锁。能确保无饥饿性。提供先来先服务的公平性。
AQS使用一个 int成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用 CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。
private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
状态信息通过 procted类型的 getState，setState，compareAndSetState进行操作
1 //返回同步状态的当前值 2 protected final int getState() { 3 return state; 4 } 5 // 设置同步状态的值 6 protected final void setState(int newState) { 7 state = newState; 8 } 9 //原子地(CAS操作)将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect(期望值) 10 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { 11 return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); 12 }
二、AQS 对资源的共享方式
AQS定义两种资源共享方式：
【1】Exclusive(独占)：只有一个线程能执行，如 ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：
● 公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁；
● 非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的；
【2】Share(共享)：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。
ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为 ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程对某资源进行读。
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等)，AQS已经在上层已经帮我们实现好了。
三、AQS 底层使用了模板模式
AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，将共享资源设置为锁定状态；如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是 CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
CLH：Craig、Landin and Hagersten队列，是单向链表，AQS中的队列是 CLH变体的虚拟双向队列（FIFO），AQS是通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配。主要原理图如下：
AQS使用一个 Volatile的 int类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO队列来完成资源获取的排队工作，通过 CAS完成对 State值的修改。
同步器的设计基于模板模式【链接】，如果需要自定义同步器一般的方式是：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。自定义同步器时需要重写下面几个 AQS提供的模板方法：
1 isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。 2 tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。 3 tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。 4 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。 5 tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。
以 ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程 lock()时，会调用 tryAcquire()独占该锁并将 state+1。此后，其他线程再 tryAcquire()时就会失败，直到 A线程 unlock()到 state=0(即释放锁)为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加)，这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证 state是能回到零态的。
四、AQS 数据结构
AbstractQueuedSynchronizer 类底层的数据结构是使用 CLH(Craig,Landin,and Hagersten) 队列是一个虚拟的双向队列。其中Sync queue，即同步队列，是双向链表，包括 head结点和 tail结点，head结点主要用作后续的调度。而 Condition queue不是必须的，其是一个单向链表，只有当使用 Condition时，才会存在此单向链表。并且可能会有多个 Condition queue。
五、AQS 源码分析
类的继承关系：AQS继承自 AbstractOwnableSynchronizer抽象类，并且实现了 Serializable接口，可以进行序列化。
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable
其中 AbstractOwnableSynchronizer抽象类的源码如下：
1 public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { 2 3 // 版本序列号 4 private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L; 5 // 构造方法 6 protected AbstractOwnableSynchronizer() { } 7 // 独占模式下的线程 8 private transient Thread exclusiveOwnerThread; 9 10 // 设置独占线程 11 protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { 12 exclusiveOwnerThread = thread; 13 } 14 15 // 获取独占线程 16 protected final Thread getExclusiveOwnerThread() { 17 return exclusiveOwnerThread; 18 } 19 }
AbstractOwnableSynchronizer抽象类中，可以设置独占资源线程和获取独占资源线程。分别为 setExclusiveOwnerThread与getExclusiveOwnerThread方法，这两个方法会被子类调用。AbstractQueuedSynchronizer类有两个内部类，分别为 Node类与 ConditionObject类。下面分别做介绍。
六、类的内部类 - Node类
先来看下AQS中最基本的数据结构Node，Node即为上面 CLH变体队列中的节点。 
解释一下几个方法和属性值的含义：
| 方法和属性值 | 含义 |
|---|---|
| waitStatus | 当前节点在队列中的状态 |
| thread | 表示处于该节点的线程 |
| prev | 前驱指针 |
| predecessor | 返回前驱节点，没有的话抛出npe |
| nextWaiter | 指向下一个处于CONDITION状态的节点（由于本篇文章不讲述Condition Queue队列，这个指针不多介绍） |
| next | 后继指针 |
线程两种锁的模式：
| 模式 | 含义 |
|---|---|
| SHARED | 表示线程以共享的模式等待锁 |
| EXCLUSIVE | 表示线程正在以独占的方式等待锁 |
waitStatus有下面几个枚举值：每个节点包含了一个 Thread类型的引用，并且每个节点都存在一个状态，具体状态如下：
| 枚举 | 含义 |
|---|---|
| 0 | 当一个Node被初始化的时候的默认值 |
| CANCELLED | 为1，表示线程获取锁的请求已经取消了 |
| CONDITION | 为-2，表示节点在等待队列中，节点线程等待唤醒 |
| PROPAGATE | 为-3，当前线程处在SHARED情况下，该字段才会使用 |
| SIGNAL | 为-1，表示线程已经准备好了，就等资源释放了 |
1 static final class Node { 2 // 模式，分为共享与独占 3 // 共享模式 4 static final Node SHARED = new Node(); 5 // 独占模式 6 static final Node EXCLUSIVE = null; 7 // 结点状态 8 // CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消 9 // SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark 10 // CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中 11 // PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行 12 // 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁 13 static final int CANCELLED = 1; 14 static final int SIGNAL = -1; 15 static final int CONDITION = -2; 16 static final int PROPAGATE = -3; 17 18 // 结点状态 19 volatile int waitStatus; 20 // 前驱结点 21 volatile Node prev; 22 // 后继结点 23 volatile Node next; 24 // 结点所对应的线程 25 volatile Thread thread; 26 // 下一个等待者 27 Node nextWaiter; 28 29 // 结点是否在共享模式下等待 30 final boolean isShared() { 31 return nextWaiter == SHARED; 32 } 33 34 // 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常 35 final Node predecessor() throws NullPointerException { 36 // 保存前驱结点 37 Node p = prev; 38 if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常 39 throw new NullPointerException(); 40 else // 前驱结点不为空，返回 41 return p; 42 } 43 44 // 无参构造方法 45 Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker 46 } 47 48 // 构造方法 49 Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter 50 this.nextWaiter = mode; 51 this.thread = thread; 52 } 53 54 // 构造方法 55 Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition 56 this.waitStatus = waitStatus; 57 this.thread = thread; 58 } 59 }
七、类的内部类 - ConditionObject类
1 // 内部类 2 public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { 3 // 版本号 4 private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; 5 // condition队列的头结点 6 private transient Node firstWaiter; 7 // condition队列的尾结点 8 private transient Node lastWaiter; 9 10 11 // 构造方法 12 public ConditionObject() { } 13 14 // 添加新的 waiter到 wait队列 15 private Node addConditionWaiter() { 16 // 保存尾结点 17 Node t = lastWaiter; 18 // If lastWaiter is cancelled, clean out. 19 if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { // 尾结点不为空，并且尾结点的状态不为CONDITION 20 // 清除状态为CONDITION的结点 21 unlinkCancelledWaiters(); 22 // 将最后一个结点重新赋值给t 23 t = lastWaiter; 24 } 25 // 新建一个结点 26 Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); 27 if (t == null) // 尾结点为空 28 // 设置condition队列的头结点 29 firstWaiter = node; 30 else // 尾结点不为空 31 // 设置为节点的nextWaiter域为node结点 32 t.nextWaiter = node; 33 // 更新condition队列的尾结点 34 lastWaiter = node; 35 return node; 36 } 37 38 /** 39 * 移除并传输节点，直到命中未取消的节点或空的。从signal中分离出来部分是为了鼓励编译器在没有服务员的情况下。 40 *@param first（非空）条件队列的第一个节点 41 */ 42 private void doSignal(Node first) { 43 // 循环 44 do { 45 if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) // 该节点的nextWaiter为空 46 // 设置尾结点为空 47 lastWaiter = null; 48 // 设置first结点的nextWaiter域 49 first.nextWaiter = null; 50 } while (!transferForSignal(first) && 51 (first = firstWaiter) != null); // 将结点从condition队列转移到sync队列失败并且condition队列中的头结点不为空，一直循环 52 } 53 54 /** 55 * 移除并传输所有节点。 56 * @param first (non-null) 第一个节点 57 */ 58 private void doSignalAll(Node first) { 59 // condition队列的头结点尾结点都设置为空 60 lastWaiter = firstWaiter = null; 61 // 循环 62 do { 63 // 获取first结点的nextWaiter域结点 64 Node next = first.nextWaiter; 65 // 设置first结点的nextWaiter域为空 66 first.nextWaiter = null; 67 // 将first结点从condition队列转移到sync队列 68 transferForSignal(first); 69 // 重新设置first 70 first = next; 71 } while (first != null); 72 } 73 74 // 从condition队列中清除状态为CANCEL的结点 75 private void unlinkCancelledWaiters() { 76 // 保存condition队列头结点 77 Node t = firstWaiter; 78 Node trail = null; 79 while (t != null) { // t不为空 80 // 下一个结点 81 Node next = t.nextWaiter; 82 if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { // t结点的状态不为CONDTION状态 83 // 设置t节点的额nextWaiter域为空 84 t.nextWaiter = null; 85 if (trail == null) // trail为空 86 // 重新设置condition队列的头结点 87 firstWaiter = next; 88 else // trail不为空 89 // 设置trail结点的nextWaiter域为next结点 90 trail.nextWaiter = next; 91 if (next == null) // next结点为空 92 // 设置condition队列的尾结点 93 lastWaiter = trail; 94 } 95 else // t结点的状态为CONDTION状态 96 // 设置trail结点 97 trail = t; 98 // 设置t结点 99 t = next; 100 } 101 } 102 103 // 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。 104 public final void signal() { 105 if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常 106 throw new IllegalMonitorStateException(); 107 // 保存condition队列头结点 108 Node first = firstWaiter; 109 if (first != null) // 头结点不为空 110 // 唤醒一个等待线程 111 doSignal(first); 112 } 113 114 // 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。 115 public final void signalAll() { 116 if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常 117 throw new IllegalMonitorStateException(); 118 // 保存condition队列头结点 119 Node first = firstWaiter; 120 if (first != null) // 头结点不为空 121 // 唤醒所有等待线程 122 doSignalAll(first); 123 } 124 125 // 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断 126 public final void awaitUninterruptibly() { 127 // 添加一个结点到等待队列 128 Node node = addConditionWaiter(); 129 // 获取释放的状态 130 int savedState = fullyRelease(node); 131 boolean interrupted = false; 132 while (!isOnSyncQueue(node)) { // 133 // 阻塞当前线程 134 LockSupport.park(this); 135 if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断 136 // 设置interrupted状态 137 interrupted = true; 138 } 139 if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) // 140 selfInterrupt(); 141 } 142 143 /** Mode meaning to reinterrupt on exit from wait */ 144 private static final int REINTERRUPT = 1; 145 /** Mode meaning to throw InterruptedException on exit from wait */ 146 private static final int THROW_IE = -1; 147 148 /** 149 * 检查是否有中断，如果中断则返回THROW-IE 在发出信号之前，如果在发出信号后重新中断，或者如果没有中断，则为0。 150 */ 151 private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) { 152 return Thread.interrupted() ? 153 (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 154 0; 155 } 156 157 /** 158 * 引发InterruptedException，重新中断当前线程，或什么都不做，取决于模式。 159 */ 160 private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) 161 throws InterruptedException { 162 if (interruptMode == THROW_IE) 163 throw new InterruptedException(); 164 else if (interruptMode == REINTERRUPT) 165 selfInterrupt(); 166 } 167 168 // 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态 169 public final void await() throws InterruptedException { 170 if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断，抛出异常 171 throw new InterruptedException(); 172 // 在wait队列上添加一个结点 173 Node node = addConditionWaiter(); 174 // 175 int savedState = fullyRelease(node); 176 int interruptMode = 0; 177 while (!isOnSyncQueue(node)) { 178 // 阻塞当前线程 179 LockSupport.park(this); 180 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) // 检查结点等待时的中断类型 181 break; 182 } 183 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) 184 interruptMode = REINTERRUPT; 185 if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled 186 unlinkCancelledWaiters(); 187 if (interruptMode != 0) 188 reportInterruptAfterWait(interruptMode); 189 } 190 191 // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态 192 public final long awaitNanos(long nanosTimeout) 193 throws InterruptedException { 194 if (Thread.interrupted()) 195 throw new InterruptedException(); 196 Node node = addConditionWaiter(); 197 int savedState = fullyRelease(node); 198 final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout; 199 int interruptMode = 0; 200 while (!isOnSyncQueue(node)) { 201 if (nanosTimeout <= 0L) { 202 transferAfterCancelledWait(node); 203 break; 204 } 205 if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold) 206 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout); 207 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) 208 break; 209 nanosTimeout = deadline - System.nanoTime(); 210 } 211 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) 212 interruptMode = REINTERRUPT; 213 if (node.nextWaiter != null) 214 unlinkCancelledWaiters(); 215 if (interruptMode != 0) 216 reportInterruptAfterWait(interruptMode); 217 return deadline - System.nanoTime(); 218 } 219 220 // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态 221 public final boolean awaitUntil(Date deadline) 222 throws InterruptedException { 223 long abstime = deadline.getTime(); 224 if (Thread.interrupted()) 225 throw new InterruptedException(); 226 Node node = addConditionWaiter(); 227 int savedState = fullyRelease(node); 228 boolean timedout = false; 229 int interruptMode = 0; 230 while (!isOnSyncQueue(node)) { 231 if (System.currentTimeMillis() > abstime) { 232 timedout = transferAfterCancelledWait(node); 233 break; 234 } 235 LockSupport.parkUntil(this, abstime); 236 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) 237 break; 238 } 239 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) 240 interruptMode = REINTERRUPT; 241 if (node.nextWaiter != null) 242 unlinkCancelledWaiters(); 243 if (interruptMode != 0) 244 reportInterruptAfterWait(interruptMode); 245 return !timedout; 246 } 247 248 // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于: awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0 249 public final boolean await(long time, TimeUnit unit) 250 throws InterruptedException { 251 long nanosTimeout = unit.toNanos(time); 252 if (Thread.interrupted()) 253 throw new InterruptedException(); 254 Node node = addConditionWaiter(); 255 int savedState = fullyRelease(node); 256 final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout; 257 boolean timedout = false; 258 int interruptMode = 0; 259 while (!isOnSyncQueue(node)) { 260 if (nanosTimeout <= 0L) { 261 timedout = transferAfterCancelledWait(node); 262 break; 263 } 264 if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold) 265 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout); 266 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) 267 break; 268 nanosTimeout = deadline - System.nanoTime(); 269 } 270 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) 271 interruptMode = REINTERRUPT; 272 if (node.nextWaiter != null) 273 unlinkCancelledWaiters(); 274 if (interruptMode != 0) 275 reportInterruptAfterWait(interruptMode); 276 return !timedout; 277 } 278 279 /** 280 * 如果此条件是由给定的同步对象创建的，则返回true 281 */ 282 final boolean isOwnedBy(AbstractQueuedSynchronizer sync) { 283 return sync == AbstractQueuedSynchronizer.this; 284 } 285 286 // 查询是否有正在等待此条件的任何线程 287 protected final boolean hasWaiters() { 288 if (!isHeldExclusively()) 289 throw new IllegalMonitorStateException(); 290 for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) { 291 if (w.waitStatus == Node.CONDITION) 292 return true; 293 } 294 return false; 295 } 296 297 // 返回正在等待此条件的线程数估计值 298 protected final int getWaitQueueLength() { 299 if (!isHeldExclusively()) 300 throw new IllegalMonitorStateException(); 301 int n = 0; 302 for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) { 303 if (w.waitStatus == Node.CONDITION) 304 ++n; 305 } 306 return n; 307 } 308 309 // 返回包含那些可能正在等待此条件的线程集合 310 protected final Collection<Thread> getWaitingThreads() { 311 if (!isHeldExclusively()) 312 throw new IllegalMonitorStateException(); 313 ArrayList<Thread> list = new ArrayList<Thread>(); 314 for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) { 315 if (w.waitStatus == Node.CONDITION) { 316 Thread t = w.thread; 317 if (t != null) 318 list.add(t); 319 } 320 } 321 return list; 322 } 323 }
此类实现了 Condition接口，Condition接口定义了条件操作规范，具体如下：Condition接口中定义了await、signal方法，用来等待条件、释放条件。
1 public interface Condition { 2 3 // 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态 4 void await() throws InterruptedException; 5 6 // 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断 7 void awaitUninterruptibly(); 8 9 //等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态 10 long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; 11 12 // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于: awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0 13 boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; 14 15 // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态 16 boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; 17 18 // 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。 19 void signal(); 20 21 // 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。 22 void signalAll(); 23 }
八、AQS 类源码
类的属性：包含了头结点head，尾结点tail，状态state、自旋时间spinForTimeoutThreshold，还有 AQS抽象的属性在内存中的偏移地址，通过该偏移地址，可以获取和设置该属性的值，同时还包括一个静态初始化块，用于加载内存偏移地址。
1 public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer 2 implements java.io.Serializable { 3 // 版本号 4 private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691L; 5 // 头结点 6 private transient volatile Node head; 7 // 尾结点 8 private transient volatile Node tail; 9 // 状态 10 private volatile int state; 11 // 自旋时间 12 static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L; 13 14 // Unsafe类实例 15 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); 16 // state内存偏移地址 17 private static final long stateOffset; 18 // head内存偏移地址 19 private static final long headOffset; 20 // state内存偏移地址 21 private static final long tailOffset; 22 // tail内存偏移地址 23 private static final long waitStatusOffset; 24 // next内存偏移地址 25 private static final long nextOffset; 26 // 静态初始化块 27 static { 28 try { 29 stateOffset = unsafe.objectFieldOffset 30 (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state")); 31 headOffset = unsafe.objectFieldOffset 32 (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head")); 33 tailOffset = unsafe.objectFieldOffset 34 (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail")); 35 waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset 36 (Node.class.getDeclaredField("waitStatus")); 37 nextOffset = unsafe.objectFieldOffset 38 (Node.class.getDeclaredField("next")); 39 40 } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } 41 } 42 }
类的构造方法：此类构造方法为空抽象构造方法，供子类调用。
1 protected AbstractQueuedSynchronizer() { }
类的核心方法acquire：该方法以独占模式获取(资源)，忽略中断，即线程在 acquire过程中，中断此线程是无效的。源码如下：
1 public final void acquire(int arg) { 2 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 3 selfInterrupt(); 4 }
由上述源码可以知道，当一个线程调用 acquire时，调用方法流程如下：
【1】首先调用 tryAcquire方法，调用此方法的线程会试图在独占模式下获取对象状态。此方法应该查询是否允许它在独占模式下获取对象状态，如果允许，则获取它。在 AbstractQueuedSynchronizer源码中默认会抛出一个异常，即需要子类去重写此方法完成自己的逻辑。之后会进行分析。
【2】若 tryAcquire失败，则调用 addWaiter方法，addWaiter方法完成的功能是将调用此方法的线程封装成为一个结点并放入Sync queue。
【3】调用 acquireQueued方法，此方法完成的功能是Sync queue中的结点不断尝试获取资源，若成功，则返回true，否则，返回false。
【4】由于 tryAcquire默认实现是抛出异常，所以此时，不进行分析，之后会结合一个例子进行分析。
首先分析 addWaiter方法：
1 // 添加等待者 2 private Node addWaiter(Node mode) { 3 // 新生成一个结点，默认为独占模式 4 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 5 // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure 6 // 保存尾结点 7 Node pred = tail; 8 if (pred != null) { // 尾结点不为空，即已经被初始化 9 // 将node结点的prev域连接到尾结点 10 node.prev = pred; 11 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 比较pred是否为尾结点，是则将尾结点设置为node 12 // 设置尾结点的next域为node 13 pred.next = node; 14 return node; // 返回新生成的结点 15 } 16 } 17 enq(node); // 尾结点为空(即还没有被初始化过)，或者是compareAndSetTail操作失败，则入队列 18 return node; 19 }
addWaiter 方法使用快速添加的方式往 sync queue尾部添加结点，如果 sync queue队列还没有初始化，则会使用 enq插入队列中，enq方法源码如下：
1 private Node enq(final Node node) { 2 for (;;) { // 无限循环，确保结点能够成功入队列 3 // 保存尾结点 4 Node t = tail; 5 if (t == null) { // 尾结点为空，即还没被初始化 6 if (compareAndSetHead(new Node())) // 头结点为空，并设置头结点为新生成的结点 7 tail = head; // 头结点与尾结点都指向同一个新生结点 8 } else { // 尾结点不为空，即已经被初始化过 9 // 将node结点的prev域连接到尾结点 10 node.prev = t; 11 if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比较结点t是否为尾结点，若是则将尾结点设置为node 12 // 设置尾结点的next域为node 13 t.next = node; 14 return t; // 返回尾结点 15 } 16 } 17 } 18 }
enq方法会使用无限循环来确保节点的成功插入。现在，分析 acquireQueue方法。其源码如下：
1 // sync队列中的结点在独占且忽略中断的模式下获取(资源) 2 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 3 // 标志 4 boolean failed = true; 5 try { 6 // 中断标志 7 boolean interrupted = false; 8 for (;;) { // 无限循环 9 // 获取node节点的前驱结点 10 final Node p = node.predecessor(); 11 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱为头结点并且成功获得锁 12 setHead(node); // 设置头结点 13 p.next = null; // help GC 14 failed = false; // 设置标志 15 return interrupted; 16 } 17 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 18 parkAndCheckInterrupt()) 19 interrupted = true; 20 } 21 } finally { 22 if (failed) 23 cancelAcquire(node); 24 } 25 }
首先获取当前节点的前驱节点，如果前驱节点是头结点并且能够获取(资源)，代表该当前节点能够占有锁，设置头结点为当前节点，返回。否则，调用 shouldParkAfterFailedAcquire 和 parkAndCheckInterrupt 方法，首先，我们看shouldParkAfterFailedAcquire方法，代码如下：
1 // 当获取(资源)失败后，检查并且更新结点状态 2 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { 3 // 获取前驱结点的状态 4 int ws = pred.waitStatus; 5 if (ws == Node.SIGNAL) // 状态为SIGNAL，为-1 6 /* 7 * This node has already set status asking a release 8 * to signal it, so it can safely park. 9 */ 10 // 可以进行park操作 11 return true; 12 if (ws > 0) { // 表示状态为CANCELLED，为1 13 /* 14 * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and 15 * indicate retry. 16 */ 17 do { 18 node.prev = pred = pred.prev; 19 } while (pred.waitStatus > 0); // 找到pred结点前面最近的一个状态不为CANCELLED的结点 20 // 赋值pred结点的next域 21 pred.next = node; 22 } else { // 为PROPAGATE -3 或者是0 表示无状态,(为CONDITION -2时，表示此节点在condition queue中) 23 /* 24 * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we 25 * need a signal, but don't park yet. Caller will need to 26 * retry to make sure it cannot acquire before parking. 27 */ 28 // 比较并设置前驱结点的状态为SIGNAL 29 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); 30 } 31 // 不能进行park操作 32 return false; 33 }
只有当该节点的前驱结点的状态为 SIGNAL时，才可以对该结点所封装的线程进行 park操作。否则，将不能进行 park操作。再看parkAndCheckInterrupt方法，源码如下：
1 // 进行park操作并且返回该线程是否被中断 2 private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 3 // 在许可可用之前禁用当前线程，并且设置了blocker 4 LockSupport.park(this); 5 return Thread.interrupted(); // 当前线程是否已被中断，并清除中断标记位 6 }
parkAndCheckInterrupt方法里的逻辑是首先执行 park操作，即禁用当前线程，然后返回该线程是否已经被中断。再看 final块中的cancelAcquire方法，其源码如下：
1 // 取消继续获取(资源) 2 private void cancelAcquire(Node node) { 3 // Ignore if node doesn't exist 4 // node为空，返回 5 if (node == null) 6 return; 7 // 设置node结点的thread为空 8 node.thread = null; 9 10 // Skip cancelled predecessors 11 // 保存node的前驱结点 12 Node pred = node.prev; 13 while (pred.waitStatus > 0) // 找到node前驱结点中第一个状态小于0的结点，即不为CANCELLED状态的结点 14 node.prev = pred = pred.prev; 15 16 // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will 17 // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel 18 // or signal, so no further action is necessary. 19 // 获取pred结点的下一个结点 20 Node predNext = pred.next; 21 22 // Can use unconditional write instead of CAS here. 23 // After this atomic step, other Nodes can skip past us. 24 // Before, we are free of interference from other threads. 25 // 设置node结点的状态为CANCELLED 26 node.waitStatus = Node.CANCELLED; 27 28 // If we are the tail, remove ourselves. 29 if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { // node结点为尾结点，则设置尾结点为pred结点 30 // 比较并设置pred结点的next节点为null 31 compareAndSetNext(pred, predNext, null); 32 } else { // node结点不为尾结点，或者比较设置不成功 33 // If successor needs signal, try to set pred's next-link 34 // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate. 35 int ws; 36 if (pred != head && 37 ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || 38 (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && 39 pred.thread != null) { // (pred结点不为头结点，并且pred结点的状态为SIGNAL)或者 40 // pred结点状态小于等于0，并且比较并设置等待状态为SIGNAL成功，并且pred结点所封装的线程不为空 41 // 保存结点的后继 42 Node next = node.next; 43 if (next != null && next.waitStatus <= 0) // 后继不为空并且后继的状态小于等于0 44 compareAndSetNext(pred, predNext, next); // 比较并设置pred.next = next; 45 } else { 46 unparkSuccessor(node); // 释放node的前一个结点 47 } 48 49 node.next = node; // help GC 50 } 51 }
该方法完成的功能就是取消当前线程对资源的获取，即设置该结点的状态为 CANCELLED，接着我们再看 unparkSuccessor方法，源码如下：
1 // 释放后继结点 2 private void unparkSuccessor(Node node) { 3 /* 4 * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try 5 * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this 6 * fails or if status is changed by waiting thread. 7 */ 8 // 获取node结点的等待状态 9 int ws = node.waitStatus; 10 if (ws < 0) // 状态值小于0，为SIGNAL -1 或 CONDITION -2 或 PROPAGATE -3 11 // 比较并且设置结点等待状态，设置为0 12 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 13 14 /* 15 * Thread to unpark is held in successor, which is normally 16 * just the next node. But if cancelled or apparently null, 17 * traverse backwards from tail to find the actual 18 * non-cancelled successor. 19 */ 20 // 获取node节点的下一个结点 21 Node s = node.next; 22 if (s == null || s.waitStatus > 0) { // 下一个结点为空或者下一个节点的等待状态大于0，即为CANCELLED 23 // s赋值为空 24 s = null; 25 // 从尾结点开始从后往前开始遍历 26 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) 27 if (t.waitStatus <= 0) // 找到等待状态小于等于0的结点，找到最前的状态小于等于0的结点 28 // 保存结点 29 s = t; 30 } 31 if (s != null) // 该结点不为为空，释放许可 32 LockSupport.unpark(s.thread); 33 }
该方法的作用就是为了释放node节点的后继结点。对于cancelAcquire与unparkSuccessor方法，如下示意图可以清晰的表示：
其中 node为参数，在执行完 cancelAcquire方法后的效果就是 unpark了 s结点所包含的 t4线程。现在，再来看 acquireQueued方法的整个的逻辑。逻辑如下：
【1】判断结点的前驱是否为 head并且是否成功获取(资源)。
【2】若步骤1均满足，则设置结点为head，之后会判断是否 finally模块，然后返回。
【3】若步骤2不满足，则判断是否需要park当前线程，是否需要park当前线程的逻辑是判断结点的前驱结点的状态是否为SIGNAL，若是，则park当前结点，否则，不进行park操作。
【4】若 park了当前线程，之后某个线程对本线程unpark后，并且本线程也获得机会运行。那么，将会继续进行步骤①的判断。
类的核心方法 release：以独占模式释放对象，其源码如下：
1 public final boolean release(int arg) { 2 if (tryRelease(arg)) { // 释放成功 3 // 保存头结点 4 Node h = head; 5 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 头结点不为空并且头结点状态不为0 6 unparkSuccessor(h); //释放头结点的后继结点 7 return true; 8 } 9 return false; 10 }
其中，tryRelease的默认实现是抛出异常，需要具体的子类实现，如果 tryRelease成功，那么如果头结点不为空并且头结点的状态不为0，则释放头结点的后继结点，unparkSuccessor方法已经分析过，不再累赘。
通过ReentrantLock理解AQS：ReentrantLock中公平锁和非公平锁在底层是相同的，这里以非公平锁为例进行分析。在非公平锁中，有一段这样的代码：
1 // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock 2 3 static final class NonfairSync extends Sync { 4 ... 5 final void lock() { 6 if (compareAndSetState(0, 1)) 7 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); 8 else 9 acquire(1); 10 } 11 ... 12 }
看一下这个Acquire是怎么写的：
1 // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 2 3 public final void acquire(int arg) { 4 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 5 selfInterrupt(); 6 }
再看一下tryAcquire方法：
1 // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 2 3 protected boolean tryAcquire(int arg) { 4 throw new UnsupportedOperationException(); 5 }
可以看出，这里只是AQS的简单实现，具体获取锁的实现方法是由各自的公平锁和非公平锁单独实现的（以ReentrantLock为例）。如果该方法返回了True，则说明当前线程获取锁成功，就不用往后执行了；如果获取失败，就需要加入到等待队列中。下面会详细解释线程是何时以及怎样被加入进等待队列中的。
九、AQS 总结
对于 AbstractQueuedSynchronizer的分析，最核心的就是 sync queue的分析。
【1】每一个结点都是由前一个结点唤醒；
【2】当结点发现前驱结点是 head并且尝试获取成功，则会轮到该线程运行。
【3】condition queue中的结点向 sync queue中转移是通过 signal操作完成的。
【4】当结点的状态为 SIGNAL时，表示后面的结点需要运行。
十、大厂面试问题
【1】什么是 AQS? 为什么它是核心?
【2】AQS的核心思想是什么? 它是怎么实现的? 底层数据结构等？
【3】AQS有哪些核心的方法?
【4】AQS定义什么样的资源获取方式? AQS定义了两种资源获取方式：独占(只有一个线程能访问执行，又根据是否按队列的顺序分为公平锁和非公平锁，如ReentrantLock) 和共享(多个线程可同时访问执行，如Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier )。ReentrantReadWriteLock可以看成是组合式，允许多个线程同时对某一资源进行读。
【4】AQS底层使用了什么样的设计模式?
【5】AQS的应用示例?
