1. 概述
AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS。是一个用于构建锁和同步器的框架，许多同步器都可以通过AQS很容易并且高效地构造出来，如常用的
ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。基于AQS来构建同步器能带来许多好处。它不仅能极大地减少实现工作，而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。在基于AQS构建的同步器中，只可能在一个时刻发生阻塞，从而降低上下文切换的开销，并提高吞吐量。Doug Lea 大神在设计AQS时也充分考虑了可伸缩性，因此java.util.concurrent中所有基于AQS构建的同步器都能获得这个优势。大多数开发者都不会直接使用AQS，JUC中标准同步器类都能够满足绝大多数情况的需求。但如果能了解标准同步器类的实现方式，那么对理解它们的工作原理是非常有帮助的。
AQS支持独占锁（Exclusive）和共享锁（Share）两种模式：
- 独占锁：只能被一个线程获取到(
ReentrantLock)； - 共享锁：可以被多个线程同时获取(
CountDownLatch、ReadWriteLock的读锁)。
不管是独占锁还是共享锁，本质上都是对AQS内部的一个变量state的获取，state是一个原子性的int变量，可用来表示锁状态、资源数等，如下图。
state获取
2. 数据结构和核心参数
队列结构
AQS的内部实现了两个队列，一个同步队列和一个条件队列。
- 条件队列是为Lock实现的一个基础同步器，并且一个线程可能会有多个条件队列，只有在使用了Condition才会存在条件队列。
- 同步队列的作用是，在线程获取资源失败后，进入同步队列队尾保持自旋等待状态， 在同步队列中的线程在自旋时会判断其前节点是否为head节点，如果为head节点则不断尝试获取资源/锁，获取成功则退出同步队列。当线程执行完逻辑后，会释放资源/锁，释放后唤醒其后继节点。
不管是同步队列还是条件队列，其内部都是由节点Node组成，首先介绍下AQS的内部类Node，源码如下：
static final class Node {
/**
* Marker to indicate a node is waiting in shared mode
*/
static final Node SHARED = new Node();
/**
* Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode
*/
static final Node EXCLUSIVE = null;
//取消
static final int CANCELLED = 1;
//等待触发
static final int SIGNAL = -1;
//等待条件
static final int CONDITION = -2;
//状态需要向后传播
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
}
说明：Node的实现很简单，就是一个普通双向链表的实现，这里主要说明一下内部的几个等待状态：
CANCELLED：值为1，当前节点由于超时或中断被取消。SIGNAL：值为-1，表示当前节点的前节点被阻塞，当前节点在release或cancel时需要执行unpark来唤醒后继节点。CONDITION：值为-2，当前节点正在等待Condition，这个状态在同步队列里不会被用到。PROPAGATE：值为-3，(针对共享锁)releaseShared()操作需要被传递到其他节点，这个状态在doReleaseShared中被设置，用来保证后续节点可以获取共享资源。- 0：初始状态，当前节点在sync queue中，等待获取锁。
AQS已经为我们提供了同步器的基础操作，如果要自定义同步器，必须实现以下几个方法：
tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。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。tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到Condition才需要去实现它。
3. 源码解析
3.1 acquire(int)
//独占模式获取资源
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
说明：独占模式下获取资源/锁，忽略中断的影响。内部主要调用了三个方法，其中tryAcquire需要自定义实现。后面会对各个方法进行详细分析。acquire方法流程如下：
tryAcquire()尝试直接获取资源，如果成功则直接返回，失败进入第二步；addWaiter()获取资源失败后，将当前线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；acquireQueued()使线程在等待队列中自旋等待获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。- 如果线程在等待过程中被中断(interrupt)是不响应的，在获取资源成功之后根据返回的中断状态调用
selfInterrupt()方法再把中断状态补上。
3.1.1 tryAcquire(int)
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
说明：尝试获取资源，成功返回true。具体资源获取/释放方式交由自定义同步器实现。ReentrantLock中公平锁和非公平锁的实现如下:
//公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
//非公平锁
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
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;
}
3.1.2 addWaiter(Node)
//添加等待节点到尾部
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
//尝试快速入队
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
//插入给定节点到队尾
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
说明：获取独占锁失败后，将当前线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式。返回插入的等待节点。
3.1.3 acquireQueued(Node,int)
//自旋等待获取资源
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//获取前继节点
//前继节点为head，说明可以尝试获取资源
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);//获取成功，更新head节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //检查是否可以park
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
//获取资源失败后，检查并更新等待状态
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
//如果前节点取消了，那就一直往前找到一个等待状态的节点，并排在它的后边
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
//此时前节点状态为0或PROPAGATE，表示我们需要一个唤醒信号，但是不立即park,在park前调用者需要重试来确认它不能获取资源。
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
//阻塞当前线程，返回中断状态
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
说明：线程进入等待队列后，在等待队列中自旋等待获取资源。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。具体流程如下：
- 获取当前等待节点的前继节点，如果前继节点为head，说明可以尝试获取锁；
- 调用
tryAcquire获取锁，成功后更新head为当前节点； - 获取资源失败，调用
shouldParkAfterFailedAcquire方法检查并更新等待状态。如果前继节点状态为SIGNAL，说明当前节点可以进入waiting状态等待唤醒；被唤醒后，继续自旋重复上述步骤。 - 获取资源成功后返回中断状态。
当前线程通过parkAndCheckInterrupt()阻塞之后进入waiting状态，此状态下可以通过下面两种途径唤醒线程：
- 前继节点释放资源后，通过
unparkSuccessor()方法unpark当前线程； - 当前线程被中断。
3.2 release(int)
/**独占模式释放资源*/
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {//尝试释放资源
Node h = head;//头结点
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);//唤醒head的下一个节点
return true;
}
return false;
}
说明：独占模式下释放指定量的资源，成功释放后调用unparkSuccessor唤醒head的下一个节点。
3.2.1 tryRelease(int)
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
说明：和tryAcquire()一样，这个方法也需要自定义同步器去实现。一般来说，释放资源直接拿state减去给定的参数arg，释放后state==0说明释放成功。在ReentrantLock中实现如下：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);//设置独占锁持有线程为null
}
setState(c);
return free;
}
3.2.2 unparkSuccessor(Node)
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)//当前节点没有被取消,更新waitStatus为0。
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
//next节点为空，从tail节点开始向前查找有效节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
说明：成功获取到资源后，调用此方法唤醒head的下一个节点。因为当前节点已经释放掉资源，下一个等待的线程可以被唤醒继续获取资源。
3.3 acquireShared(int)
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
说明：共享模式下获取资源/锁，忽略中断的影响。内部主要调用了两个个方法，其中tryAcquireShared需要自定义同步器实现。后面会对各个方法进行详细分析。acquireShared方法流程如下：
tryAcquireShared(arg)尝试获取共享资源。成功获取并且还有可用资源返回正数；成功获取但是没有可用资源时返回0；获取资源失败返回一个负数。- 获取资源失败后调用
doAcquireShared方法进入等待队列，获取资源后返回。
3.3.1 tryAcquireShared(int arg)
/**共享模式下获取资源*/
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
说明：尝试获取共享资源，需同步器自定义实现。有三个类型的返回值：
- 正数：成功获取资源，并且还有剩余可用资源，可以唤醒下一个等待线程；
- 负数：获取资源失败，准备进入等待队列；
- 0：获取资源成功，但没有剩余可用资源。
3.3.2 doAcquireShared(int)
//获取共享锁
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//添加一个共享模式Node到队列尾
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//获取前节点
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);//前节点为head，尝试获取资源
if (r >= 0) {
//获取资源成功，设置head为自己，如果有剩余资源可以在唤醒之后的线程
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //检查获取失败后是否可以阻塞
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
说明：在tryAcquireShared中获取资源失败后，将当前线程加入等待队列尾部等待唤醒，成功获取资源后返回。在阻塞结束后成功获取到资源时，如果还有剩余资源，就调用setHeadAndPropagate方法继续唤醒之后的线程，源码如下：
//设置head，如果有剩余资源可以再唤醒之后的线程
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below
setHead(node);
/*
* 如果满足下列条件可以尝试唤醒下一个节点：
* 调用者指定参数(propagate>0)，并且后继节点正在等待或后继节点为空
*/
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}
3.4 releaseShared(int)
/**共享模式释放资源*/
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();//释放锁，并唤醒后继节点
return true;
}
return false;
}
说明：共享模式下释放给定量的资源，如果成功释放，唤醒等待队列的后继节点。tryReleaseShared需要自定义同步器去实现。方法执行流程：tryReleaseShared(int)尝试释放给定量的资源，成功释放后调用doReleaseShared()唤醒后继线程。
3.4.1 tryReleaseShared(int)
/**共享模式释放资源*/
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
说明：释放给定量的资源，需自定义同步器实现。释放后如果允许后继等待线程获取资源返回true。
3.4.2 doReleaseShared(int)
//释放共享资源-唤醒后继线程并保证后继节点的资源传播
private void doReleaseShared() {
//自旋，确保释放后唤醒后继节点
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);//唤醒后继节点
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) //waitStatus为0，CAS修改为PROPAGATE
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
说明：在tryReleaseShared成功释放资源后，调用此方法唤醒后继线程并保证后继节点的release传播（通过设置head节点的waitStatus为PROPAGATE）。
小结
自此，AQS的主要方法就讲完了，有几个没有讲到的方法如tryAcquireNanos、tryAcquireSharedNanos，都是带等待时间的资源获取方法，还有acquireInterruptibly acquireSharedInterruptibly,响应中断式资源获取方法。都比较简单，同学们可以参考本篇源码阅读。
作者：泰迪的bagwell
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來源：简书
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