为了带你精通 Java AQS，我画了 40 张图，从管程模型讲起！

Java中 AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 类，AQS 依赖 FIFO 队列来提供一个框架，这个框架用于实现锁以及锁相关的同步器，比如信号量、事件等。

在 AQS 中，主要有两部分功能，一部分是操作 state 变量，第二部分是实现排队和阻塞机制。

注意，AQS 并没有实现任何同步接口，它只是提供了类似 acquireInterruptible 的方法，调用这些方法可以实现锁和同步器。

1 管程模型

Java 使用 MESA 管程模型来管理类的成员变量和方法，让这个类的成员变量和方法的操作是线程安全的。下图是 MESA 管程模型，里面除了定义共享变量外，还定义了条件变量和条件变量等待队列：

上图中有三个知识点：

• MESA 管程模型封装了共享变量和对共享变量的操作，线程要进入管程内部，必须获取到锁，如果获取锁失败就进入入口等待队列阻塞等待。

• 如果线程获取到锁，就进入到管程内部。但是进入到管程内部，也不一定能立刻操作共享变量，而是要看条件变量是否满足，如果不满足，只能进入条件变量等待队列阻塞等待。

• 在条件变量等待队列中，如果被其他线程唤醒，也不一定能立刻操作共享变量，而是需要去入口等待队列重新排队等待获取锁。

Java 中的 MESA 管程模型有一点改进，就是管程内部只有一个条件变量和一个等待队列。下图是 AQS 的管程模型：

AQS 的管程模型依赖 AQS 中的 FIFO 队列实现入口等待队列，要进入管程内部，就由各种并发锁的限制。而 ConditionObject 则实现了条件队列，这个队列可以创建多个。

下面就从入口等待队列、并发锁、条件等待队列三个方面来带你彻底理解 AQS。

2 入口等待队列

2.1 获取独占锁

独占, 忽略 interrupts

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

这里的 tryAcquire 是抽象方法，由 AQS 的子类来实现，因为每个子类实现的锁是不一样的。

2.1.1 入队

上面的代码可以看到，获取锁失败后，会先执行 addWaiter 方法加入队列，然后执行 acquireQueued 方法自旋地获取锁直到成功。

addWaiter 代码逻辑如下图，简单说就是把 node 入队，入队后返回 node 参数给 acquireQueued 方法：

这里有一个点需要注意，如果队列为空，则新建一个 Node 作为队头。

2.1.2 入队后获取锁

acquireQueued 自旋获取锁逻辑如下图：

这里有几个细节：

1.waitStatus

• CANCELLED(1)：当前节点取消获取锁。当等待超时或被中断(响应中断)，会触发变更为此状态，进入该状态后节点状态不再变化；

• SIGNAL(-1)：后面节点等待当前节点唤醒；

• CONDITION(-2)：Condition 中使用，当前线程阻塞在 Condition，如果其他线程调用了 Condition 的 signal 方法，这个结点将从等待队列转移到同步队列队尾，等待获取同步锁；

• PROPAGATE(-3)：共享模式，前置节点唤醒后面节点后，唤醒操作无条件传播下去；

• 0：中间状态，当前节点后面的节点已经唤醒，但是当前节点线程还没有执行完成。

2.获取锁失败后挂起

如果前置节点不是头节点，或者前置节点是头节点但当前节点获取锁失败，这时当前节点需要挂起，分三种情况：

• 前置节点 waitStatus=-1，如下图：

• 前置节点 waitStatus > 0，如下图：

• 前置节点 waitStatus < 0 但不等于 -1，如下图：

3.取消获取锁

如果获取锁抛出异常，则取消获取锁，如果当前节点是 tail 节点，分两种情况如下图：

如果当前节点不是 tail 节点，也分两种情况，如下图：

4.对中断状态忽略

5.如果前置节点的状态是 0 或 PROPAGATE，会被当前节点自旋过程中更新成 -1，以便之后通知当前节点。

2.1.3 独占 + 响应中断

对应方法 acquireInterruptibly(int arg)。

跟忽略中断(acquire方法)不同的是要响应中断，下面两个地方响应中断：

• 获取锁之前会检查当前线程是否中断。

• 获取锁失败入队，在队列中自旋获取锁的过程中也会检查当前线程是否中断。如果检查到当前线程已经中断，则抛出 InterruptedException，当前线程退出。

2.1.4 独占 + 响应中断 + 考虑超时

对应方法 tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)。

这个方法具备了独占 + 响应中断 + 超时的功能，下面2个地方要判断是否超时：

• 自旋获取锁的过程中每次获取锁失败都要判断是否超时;

• 获取锁失败 park 之前要判断超时时间是否大于自旋的阈值时间 (spinForTimeoutThreshold = 1ns) 另外，park 线程的操作使用 parkNanos 传入阻塞时间。

2.2 释放独占锁

独占锁释放分两步：释放锁，唤醒后继节点。

释放锁的方法 tryRelease 是抽象的，由子类去实现。

我们看一下唤醒后继节点的逻辑，首先需要满足两个条件：

• head 节点不等于 null;

• head 节点 waitStatus 不等于 0。这里有两种情况(在方法 unparkSuccessor)：

• 情况一，后继节点 waitStatus <= 0，直接唤醒后继节点，如下图：

• 情况二：后继节点为空或者 waitStatus > 0，从后往前查找最接近当前节点的节点进行唤醒，如下图：

2.3 获取共享锁

之前我们讲了独占锁，这一小节我们谈共享锁，有什么不同呢？

2.3.1 共享，忽略 interrupts

对应方法 acquireShared，代码如下：

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

2.3.2 tryAcquireShared

这里获取锁使用的方法是 tryAcquireShared，获取的是共享锁。获取共享锁跟获取独占锁不同的是，会返回一个整数值，说明如下:

• 返回负数：获取锁失败。

• 返回 0：获取锁成功但是之后再由线程来获取共享锁时就会失败。

• 返回正数:获取锁成功而且之后再有线程来获取共享锁时也可能会成功。所以需要把唤醒操作传播下去。tryAcquireShared 获取锁失败后(返回负数)，就需要入队后自旋获取，也就是执行方法 doAcquireShared。

2.3.3 doAcquireShared

怎么判断队列中等待节点是在等待共享锁呢？nextWaiter == SHARED，这个参数值是入队新建节点的时候构造函数传入的。

自旋过程中，如果获取锁成功(返回正数)，首先把自己设置成新的 head 节点，然后把通知传播下去。如下图：

之后会唤醒后面节点并保证唤醒操作可以传播下去。但是需要满足四个条件中的一个：

• tryAcquireShared 返回值大于0，有多余的锁，可以继续唤醒后继节点。

• 旧的 head 节点 waitStatus < 0，应该是其他线程释放共享锁过程中把它的状态更新成了 -3。