一文详解AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 JUC 中的核心类，这个类的原理搞定了，对于理解 JUC 中其他工具类，比如：ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 的原理就是小意思了。

目录

• 什么是 AQS
• 基于 CAS 的状态更新
• CLH 队列
• 恢复与挂起
• 其他特性
• 独占锁如何实现
• 共享锁如何实现
• 条件处理
• 如何使用 AQS
• 总结
• 精华推荐

什么是 AQS

并发使计算机得以充分利用计算能力，有效率地完成各类程序任务。当深入地学习 Java 中的并发，不可避免地将学习到锁 —— 使并发的资源能被正确访问的手段。锁的学习也将分为两部分，一部分是如何加解锁，另一部分是把锁分配给谁。

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)也叫“抽象队列同步器”，它提供了“把锁分配给谁"这一问题的一种解决方案，使得锁的开发人员可以将精力放在“如何加解锁上”，避免陷于把锁进行分配而带来的种种细节陷阱之中。

例如 JUC 中，如 CountDownLatch、Semaphore、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 等并发工具，均是借助 AQS 完成他们的所需要的锁分配问题。

基于 CAS 的状态更新

AQS 要把锁正确地分配给请求者，就需要其他的属性来维护信息，那么自身也要面对并发问题，因为信息将会被更改，而且可能来源于任意线程。

AQS 使用了CAS (compare and set) 协助完成自身要维护的信息的更新(后续的源码处处可见)。CAS的意义为：期望对象为某个值并设置为新的值。那么，如果不为期望的值或更新值失败，返回 false；如果为期望的值并且设置成功，那么返回 true。用例子表达就是“我认为我的家门是开着的，我将把它关上”。那么只有在家门是开着的，并且我把他关上了，这句断言为 ture.

CAS 是硬件层面上提供的原子操作保证，意味着任意时刻只有一个线程能访问 CAS 操作的对象。那么，AQS 使用 CAS 的原因在于：

1. CAS 足够快
2. 如果并发时 CAS 失败时，可能通过自旋再次尝试，因为 AQS 知道维护信息的并发操作需要等待的时间非常短
3. AQS 对信息的维护不能导致其它线程的阻塞

因此，AQS 对于自身所需要的各种信息更新，均使用 CAS 协助并发正确。

CLH 队列

CLH 队列得名于 Craig、Landin 和 Hagersten 的名字缩写，他们提出实现了以自旋锁方式在并发中构建一个 FIFO(先入先出)队列。在 AQS 中，也维护着这样一个同步队列，来记录各个线程对锁的申请状态。

每一记录单元，以 AQS 的内部类 Node 作为体现：

static final class Node {
    // 表示线程取消申请锁
    static final int CANCELLED =  1;
    // 表示线程正在申请锁，等待被分配
    static final int SIGNAL    = -1;
    // 表示线程在等待某些条件达成，再进入下一阶段
    static final int CONDITION = -2;
    // 表示把对当前节点进行的操作，继续往队列传播下去
    static final int PROPAGATE = -3;
    // 表示当前线程的状态
    volatile int waitStatus;

    // 指向前一个节点，也叫前驱节点
    volatile Node prev;
    // 指向后一个节点，也叫后继节点
    volatile Node next;

    // 节点代表的线程
    volatile Thread thread;

     // 指向下一个代表要等待某些条件达成时，才进行下阶段的线程的节点
    Node nextWaiter;
}

以 Node 的结构来看，prev 和 next 属性将可以支持 AQS 可以将请求锁的线程构成双向队列，而入队列出队列，以及先入先出的特性，需要方法来支持。

private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {
            // 进入到这里，说明没有head节点，CAS操作创建一个head节点
            // 失败也不要紧，失败说明发生了并发，会走到下面的else
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            // 把Node加入到尾部，保证加入到为止，并发会重走
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

AQS 中，以 head 为 CLH 队列头部，以 tail 为 CLH 队列尾部，当加入节点时，通过 CAS 和自旋保证节点正确入队。

上图解释了插入 Node 时，可能发生的并发情况和解决过程。AQS 支持独占锁和共享锁，那么 CLH 队列也就需要能区分节点类型。无论那种节点，都能通过 addWaiter() 将节点插入到队列而不是直接调用 enq()

static final class Node {
    // 表明是共享锁节点
    static final Node SHARED = new Node();
    // 表明是独占锁节点
    static final Node EXCLUSIVE = null;
}

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)) {
            // 如果插入尾部成功，就直接返回
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 通过CAS自旋确保入队
    enq(node);
    return node;
}

根据前面的内容，Node.waitStatus 表示 Node 处于什么样的状态，意味着状态是可以改变的，那么 CLH 队列中的节点也是可以取消等待的：

private void cancelAcquire(Node node) {
    if (node == null)
        return;

    node.thread = null;

    Node pred = node.prev;
    // 首先，找到当前节点前面未取消等待的节点
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // 方便操作
    Node predNext = pred.next;
    // 记录当前节点状态为取消，这样，如果发生并发，也能正确地处理掉
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    //如果当前节点为tail，通过CAS将tail设置为找到的没被取消的pred节点
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        int ws;
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            // ①
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                // 移除掉找到的CANCELLED节点，整理CLH队列
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            // 表示当pred头节点，唤醒下一节点
            unparkSuccessor(node);
        }
        node.next = node; // help GC
    }
}

对于代码中 ① 处进入的情况为：

1. pred 不为头节点
2. pred 记录的线程不为空
3. 及 pred 的状态为 SIGNAL，即等待分配到锁
4. 或及 pred 的状态小于 0 时，能通过 CAS 设置为 SIGNAL

cancelAcquire()将 CLH 队列整理成了新的状态，完成了并发状态下将已取消等待的节点的移除操作

那么，AQS 的 CLH 队列如何完成 FIFO 的呢？

恢复与挂起

前面提到，AQS 只解决锁分配的问题，锁的加解锁控制就由子类进行控制，为了便于阅读，子类要实现的方法就先一笔带过。

public final void acquire(int arg) {
    // 如果获取到锁，获取锁的成程序就执行下去
    // 如果获取不到锁，插入代表当前线程的Node节点放入队列中，并请求锁
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        // 中断
        selfInterrupt();
}

以独占锁请求锁的实现方法 acquire()来看，tryAcquire()是子类要实现的控制的锁获取成功与否逻辑。addWaiter()，将新的代表当前线程的独占锁 Node 加入到 CLH 队列中，然后请求锁。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            // 自旋
            // 读取前驱结点，因为前驱节点可能发生了改变，如取消等待操作
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 只有当前驱节点为head时，才有资格获取锁
                // 设置head为当前节点
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                // 返回是否发生过中断
                return interrupted;
            }
            // 更新当前节点状态，并检查线程是否发生过中断
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            // 说明发生了意料之外的异常，将节点移除，避免影响到其他节点
            cancelAcquire(node);
    }
}

acquireQueued()表达的逻辑为：

• 只有当自己的前驱节点为 head 时，才有资格去获取锁，这表达了 FIFO。
• 获取锁成功后，会返回线程是否被中断过，结合 acquire()看，如果线程被中断过，会让线程回到中断状态。
• 以 acquireQueued()看，请求锁是的过程是公平的，按照队列排列顺序申请锁。
• 以 acquire()看，请求锁的过程是不公平的，因为 acquire()会先尝试获取锁再入队，意味着将在某一时刻，有线程完成插队。

那么，shouldParkAfterFailedAcquire()是把 Node 状态更新，parkAndCheckInterrupt 则将线程挂起，恢复后返回线程是否被中断过。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        前驱节点状态为SIGNAL直接返回
        return true;
    if (ws > 0) {
        // 这里和cancelAcquire()类似，整合移除node之前被取消的节点
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // CAS设置前驱节点状态为SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 挂起当前线程
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

那么，获取锁的过程就清晰了，进入到 acquireQueued()的方法，可能预见的情况如下图：

情况一：Node 的前驱节点为 head，那么直接拿到锁，调用 acquire()的线程继续执行。

情况二：Node 的前驱节点不为 head，并且也是申请锁状态，那么在 parkAndCheckInterrupt()中此线程将被挂机。等到线程从 parkAndCheckInterrupt()中回复后，再次中 acquireQueued()的自旋逻辑，此时可能发生情况一、情况二、情况三

情况三：Node 的前驱节点被取消了，那么通过 shouldParkAfterFailedAcquire()整合 CLH 队列后，走到情况一。

目前，没有申请到锁的 Node 在 CLH 队列中排队，其线程阻塞在 parkAndCheckInterrupt()等待唤醒，然后继续尝试获取锁。

那么，在何时恢复线程？

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        // CAS 修改节点状态为0
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        // 如果s的后继节点为空或者状态大于0
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            // 从tail开始，找到最靠近head的状态不为0的节点
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        // 唤醒节点中记录的线程
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

线程唤醒发生在取消请求时 cancelAcquire()，或释放锁时，对 unparkSuccessor()的调用。unparkSuccessor()将从 CLH 队列中唤醒最靠前的应该被唤醒的 Node 记录的线程，此之后，线程从 parkAndCheckInterrupt()继续执行下去。

这里也以独占锁的释放锁的方法看 unparkSuccessor()的调用

public final boolean release(int arg) {
    // 子类的实现，尝试解锁
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 释放锁，唤醒下一线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

其他特性

上面借助独占锁的 acquire() 和 release()，说明了 AQS 如何通过 CLH 队列对锁进行分配。此外，AQS 还支持了其他的特性。

可中断 向 AQS 请求锁的线程是可以中断的，从 parkAndCheckInterrupt()会检查恢复的线程的中断状态，以让更上层的调用决定如何处理。以 acquire()来看，它会让已中断过的线程回到中断状态。

可重入性控制 可以通过 isHeldExclusively()设置可重入性控制，在 AQS 中是为了共享锁服务的。当然，也可以在子类 tryAcquire()等加锁的方法中，借助 setExclusiveOwnerThread()和 getExclusiveOwnerThread()一起实现是否可重入。

可控获取锁时间 申请锁的时间，也可以控制，实现只需要通过在申请不到锁入队时，设置线程唤醒时间即可。AQS 提供了其他版本的申请锁方法，流程大体一致。

并发量控制 AQS 通过属性 state 来提供控制并发量的方式，state 只能通过原子性的操作修改。子类控制加解锁操作时，可以通过控制 state 来做出判断。

独占锁如何实现

在前文中，借用独占锁的例子 acquire() 和 release() 说明了 AQS 是如何运作的。这里主要为其他补充。

可中断、可控获取锁时间这样的特性，提供了不同的入口方法，也实现了不同版本的 acquireQueued()，其仅有少处不同。下面以中断的方式获取锁为例子抛砖引玉

private void doAcquireInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    ......
        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
            parkAndCheckInterrupt())
            // 与acquireQueued()主要不同，向上抛出了异常
            throw new InterruptedException();
    ......
}

中断方式获取锁关联方法为：

• acquireInterruptibly()
• doAcquireInterruptibly()

可控获取锁时间关联方法为：

• doAcquireNanos()
• doAcquireSharedNanos()

共享锁如何实现

与独占锁的实现相比，共享锁的实现更复杂一些。从申请锁看

private void doAcquireShared(int arg) {
    ......
        // 与独占锁相比差异为这一段
        if (p == head) {
            // 尝试获取锁，r表示资源情况
            int r = tryAcquireShared(arg);
            if (r >= 0) {
                //  获取到了锁，重新设置head，并传播
                setHeadAndPropagate(node, r);
                p.next = null; // help GC
                if (interrupted)
                    selfInterrupt();
                failed = false;
                return;
            }
        }
    ......
}

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head;
    // 重新设置head
    setHead(node);

    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        // ①
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            // 唤醒其他的Node
            doReleaseShared();
    }
}

在共享锁的情况下，申请锁成功后，还需要考虑到有更多的资源能支持更多的并发，那么，可以唤醒 Node。

进入 ① 处可能为以下任意情况：

• 有更多的资源，即 propagate > 0
• 旧的 head 为空或未被取消
• 新的 head 为空或未被取消

判断新旧 head 来调用 doReleaseShared()的原因在于，如果旧的 head 已经被释放，不去检查新的 head 的状态，就有可能少唤醒一个 Node。

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // 设置头为 0
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                // 唤醒下一节点
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     // ②
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        if (h == head)
            break;
    }
}

unparkSuccessor()就不再赘述。微妙之处在于 ②，如图

unparkSuccessor()需要唤醒一个状态小于 0 的节点，设想某一时刻，A、B 在申请锁，C 释放了锁，A 拿到了锁，head 状态被设置为 0。时间片分配给了 D，D 释放锁，但是发现 head 状态为 0，因此不进行唤醒。A 获得了时间片，继续调用 setHeadAndPropagate()，传入的 propagate 值为 0，也不进行唤醒。而我们期望的结果是，B 被唤醒。

如果不进行处理，那么随着程序运行，将不断地减少并发量。那么，② 处将头节点状态设置为 PROPAGATE 就避免了这个问题。在上面的例子中，A 进入到 setHeadAndPropagate()后将唤醒 B。因此，PROPAGATE 就表示了将某个行为传播下去。

与独占锁类似，其他的特性也提供了对应的入口，这里就不放出源码：可中断方式获取锁的方法为：

• acquireSharedInterruptibly()
• doAcquireSharedInterruptibly()

可控获取锁时间关联方法为：

• tryAcquireSharedNanos()
• doAcquireSharedNanos()

条件处理

与独占锁不同的是，共享锁需要支持条件，即有时候，需要达到一些条件后，线程才应继续运行下去。Condition就表达了这一协作关系，它提供了模板方法，其中

• await()系列：表示等待条件的完成
• signal()、signalAll()：表示条件达成的信号

AQS 以ConditionObject实现了 Condition 的语义

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private transient Node firstWaiter;
    private transient Node lastWaiter;
}

static final class Node {
    // 表示下一个CONDITION状态的节点
    Node nextWaiter;
}

ConditionObject 维护了一个单向队列，用来记录等待 Condition 达成的节点。

private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        // 如果尾部节点已经不为CONDITION，那么把这些节点移除
        unlinkCancelledWaiters();
        // 重新指向尾部节点
        t = lastWaiter;
    }
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        // 作为头节点
        firstWaiter = node;
    else
        // 作为下一节点
        t.nextWaiter = node;
    // 更新尾部节点
    lastWaiter = node;
    return node;
}

private void unlinkCancelledWaiters() {
    Node t = firstWaiter;
    Node trail = null;
    while (t != null) {
        // 从头结点开始，移除所有不为Node.CONDITION的节点
        Node next = t.nextWaiter;
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            t.nextWaiter = null;
            if (trail == null)
                firstWaiter = next;
            else
                trail.nextWaiter = next;
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        }
        else
            trail = t;
        t = next;
    }
}

CONDITION 节点的插入的操作较简单，移除操作如图

任意时刻，如果条件达成，则 signal() -> doSignal()

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        // 移除first节点的下一记录
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first)/*加入CLH队列*/ &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 更新 node 的状态
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;
    // 将节点加入CLH队列
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        // 如果取消等待或者不能设置为SIGNAL，唤起线程
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

当 Conditon 条件达成时，将把节点从 ConditionObject 维护的队列移动到 CLH 队列，这样，当有资源时，才可被正确唤醒。挂起处位于：

public final void await() throws InterruptedException {

    if (Thread.interrupted())
        // 如果线程中断了，抛出异常
        throw new InterruptedException();
    // 加入到CONDITION队列中
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    // 记录中断的场景
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 自旋
        // 如果没有被加入到CLH队列中，那么挂起线程
        LockSupport.park(this);
        // 更新中断场景
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 尝试获取锁，此时Node已经在CLH队列中了
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        // 根据中断场景做不同的处理
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

因此，当 Condition 达成时，被唤醒的线程将从 while (!isOnSyncQueue(node)){...} 自旋中继续执行，粗略地来看，其过程为:

如何使用 AQS

AQS 解决了锁的分配过程，加解锁的过程就需要子类自行实现。子类可以根据需要，提供独占锁或共享锁的实现。

• tryAcquire(int)：获取独占锁
• tryRelease(int)：释放独占锁
• tryAcquireShared(int)：获取共享锁
• tryReleaseShared(int)：释放共享锁

子类要实现的方法中，都带有 int 参数，一般而言，此 int 参数用于辅助控制 AQS 的 state 属性，也就是说，可以通过保证更改 state 的状态为原子性操作，即可保证并发状态。AQS 也提供了 compareAndSetState()的 CAS 操作对 state 进行更改。

一个简单的例子为

public static class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer{

    public void lock(){
        acquire(0);
    }
    public void unlock(){
        release(0);
    }

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        return compareAndSetState(0, 1);
    }
    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        return compareAndSetState(1, 0);
    }

}

这个例子中，实现了一个独占锁，在这个例子中 acquire()和 release()传入的参数是无意义的，因为只是单并发，因此直接通过 compareAndSetState()的成功与否完成了加解锁。

总结

AQS 是解决并发过程中锁分配的问题，使锁的实现者可以聚焦于加解锁的实现上。AQS 的实现概要为：

• 维护一个 CLH 队列里，记录每一个需要获取锁的线程；在首次请求锁时，是不公平的；在队列里的锁请求时，是公平的。
• 当 Node 锁代表的线程没有请求到锁时，将被挂起，等被唤醒后，尝试再次请求锁，如果还是没有获取到锁，重复此过程。
• 当一个 Node 入队时，将从队尾移除取消等待的节点，直到找到第一个未取消等待的节点，插入此节点后。
• 当释放锁时，从 CLH 队里头部开始，找到第一个未取消等待的节点，唤醒。
• 对于共享锁，如果需要等待条件，则 Node 进入一个单项队列，自旋，挂起；待条件达成后，将 Node 加入到 CLH 队里，请求锁；若请求到锁，继续执行线程。

此外，AQS 的还支持的特性为

• 通过 CAS 和自旋控制自身状态并发，足够快
• 支持重入性判断，通过控制 isHeldExclusively()，其代码位于操作 CONDITION 节点的各处，较零碎，因此没有将代码放出。可在 tryAcquire()等子类的加锁方法中，借助 setExclusiveOwnerThread()和 getExclusiveOwnerThread()一起实现是否可重入
• 支持中断。
• 支持锁的获取时间控制。