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Java并发之AQS源码分析（一）
AQS 全称是 AbstractQueuedSynchronizer，顾名思义，是一个用来构建锁和同步器的框架，它底层用了 CAS 技术来保证操作的原子性，同时利用 FIFO 队列实现线程间的锁竞争，将基础的同步相关抽象细节放在 AQS，这也是 ReentrantLock、CountDownLatch 等同步工具实现同步的底层实现机制。它能够成为实现大部分同步需求的基础，也是 J.U.C 并发包同步的核心基础组件。
AQS 结构剖析
AQS 就是建立在 CAS 的基础之上，增加了大量的实现细节，例如获取同步状态、FIFO 同步队列，独占式锁和共享式锁的获取和释放等等，这些都是 AQS 类对于同步操作抽离出来的一些通用方法，这么做也是为了对实现的一个同步类屏蔽了大量的细节，大大降低了实现同步工具的工作量，这也是为什么 AQS 是其它许多同步类的基类的原因。
现在我们来直接定位到类 java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer，下面是 AQS 类的几个重要字段与方法列出来：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
// ...
}
- head 字段为等待队列的头节点，表示当前正在执行的节点；
- tail 字段为等待队列的尾节点；
- state 字段为同步状态，其中 state > 0 为有锁状态，每次加锁就在原有 state 基础上加 1，即代表当前持有锁的线程加了 state 次锁，反之解锁时每次减一，当 statte = 0 为无锁状态；
- 通过 compareAndSetState 方法操作 CAS 更改 state 状态，保证 state 的原子性。
有没有发现，这几个字段都用 volatile 关键字进行修饰，以确保多线程间保证字段的可见性。
AQS 提供了两种锁，分别是独占锁和共享锁，独占锁指的是操作被认作一种独占操作，比如 ReentrantLock，它实现了独占锁的方法，而共享锁则指的是一个非独占操作，比如一些同步工具 CountDownLatch 和 Semaphore 等同步工具，下面是 AQS 对这两种锁提供的抽象方法。
独占锁：
// 获取锁方法
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放锁方法
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
共享锁：
// 获取锁方法
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放锁方法
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
在我们平时开发中，基本不用直接使用 AQS，我们平时都是直接使用 JDK 自带的同步类工具，如 ReentrantLock、CountDownLatch 和 Semaphore 等，它们已经可以满足绝大部分的需求了，后面会抽几篇文章单独讲一下这些同步类工具是如何使用 AQS 的，这对于我们如何构建自定义的同步工具，有很大的帮助。
下面是同步队列节点的结构：
用大神的注释来形象地描述一下队列的模型：
/**
* <pre>
* +------+ prev +-----+ +-----+
* head | | <---- | | <---- | | tail
* +------+ +-----+ +-----+
* </pre>
*/
这是一个普通双向链表的节点结构，多了 thread 字段用于存储当前线程对象，同时每个节点都有一个 waitStatus 等待状态，一共有四种状态：
- CANCELLED（1）：取消状态，如果当前线程的前置节点状态为 CANCELLED，则表明前置节点已经等待超时或者已经被中断了，这时需要将其从等待队列中删除。
- SIGNAL（-1）：等待触发状态，如果当前线程的前置节点状态为 SIGNAL，则表明当前线程需要阻塞。
- CONDITION（-2）：等待条件状态，表示当前节点在等待 condition，即在 condition 队列中。
- PROPAGATE（-3）：状态需要向后传播，表示 releaseShared 需要被传播给后续节点，仅在共享锁模式下使用。
可以这么理解：head 节点可以表示成当前持有锁的线程的节点，其余线程竞争锁失败后，会加入到队尾，tail 始终指向队列的最后一个节点。
AQS 的结构大概可总结为以下 3 部分：
- 用 volatile 修饰的整数类型的 state 状态，用于表示同步状态，提供 getState 和 setState 来操作同步状态；
- 提供了一个 FIFO 等待队列，实现线程间的竞争和等待，这是 AQS 的核心；
- AQS 内部提供了各种基于 CAS 原子操作方法，如 compareAndSetState 方法，并且提供了锁操作的acquire和release方法。
独占锁
独占锁的原理是如果有线程获取到锁，那么其它线程只能是获取锁失败，然后进入等待队列中等待被唤醒。
获取锁
获取独占锁方法：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
源码解读：
- 通过 tryAcquire(arg) 方法尝试获取锁，这个方法需要实现类自己实现获取锁的逻辑，获取锁成功后则不执行后面加入等待队列的逻辑了；
- 如果尝试获取锁失败后，则执行 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 方法将当前线程封装成一个 Node 节点对象，并加入队列尾部；
- 把当前线程执行封装成 Node 节点后，继续执行 acquireQueued 的逻辑，该逻辑主要是判断当前节点的前置节点是否是头节点，来尝试获取锁，如果获取锁成功，则当前节点就会成为新的头节点，这也是获取锁的核心逻辑。
基于上面源码的步骤分析后，我们一步步往下看源码具体实现：
private Node addWaiter(Node mode) {
// 创建一个基于当前线程的节点，该节点是 Node.EXCLUSIVE 独占式类型
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
// 这里先判断队尾是否为空，如果不为空则直接将节点加入队尾
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 采取 CAS 操作，将当前节点设置为队尾节点，由于采用了 CAS 原子操作，无论并发怎么修改，都有且只有一条线程可以修改成功，其余都将执行后面的enq方法
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
简单来说 addWaiter(Node mode) 方法做了以下事情：
- 创建基于当前线程的独占式类型的节点；
- 利用 CAS 原子操作，将节点加入队尾。
我们继续看 enq(Node node) 方法：
private Node enq(final Node node) {
// 自旋操作
for (;;) {
Node t = tail;
// 如果队尾节点为空，那么进行CAS操作初始化队列
if (t == null) {
// 这里很关键，即如果队列为空，那么此时必须初始化队列，初始化一个空的节点表示队列头，用于表示当前正在执行的节点，头节点即表示当前正在运行的节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
// 这一步也是采取CAS操作，将当前节点加入队尾，如果失败的话，自旋继续修改直到成功为止
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq(final Node node) 方法主要做了以下事情：
- 采用自旋机制，这是 aqs 里面很重要的一个机制；
- 如果队尾节点为空，则初始化队列，将头节点设置为空节点，头节点即表示当前正在运行的节点；
- 如果队尾节点不为空，则继续采取 CAS 操作，将当前节点加入队尾，不成功则继续自旋，直到成功为止；
对比了上面两段代码，不难看出，首先是判断队尾是否为空，先进行一次 CAS 入队操作，如果失败则进入 enq(final Node node) 方法执行完整的入队操作。
完整的入队操作简单来说就是：如果队列为空，初始化队列，并将头节点设为空节点，表示当前正在运行的节点，然后再将当前线程的节点加入到队列尾部。
关于队列的初始化与入队，务必理解透彻。
经过上面 CAS 不断尝试，这时当前节点已经成功加入到队尾了，接下来就到了acquireQueued 的逻辑，我们继续往下看源码：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// 线程中断标记字段
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取当前节点的 pred 节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果 pred 节点为 head 节点，那么再次尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 获取锁之后，那么当前节点也就成为了 head 节点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
// 不需要挂起，返回 false
return interrupted;
}
// 获取锁失败，则进入挂起逻辑
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这一步 acquireQueued(final Node node, int arg) 方法主要做了以下事情：
- 判断当前节点的 pred 节点是否为 head 节点，如果是，则尝试获取锁；
- 获取锁失败后，进入挂起逻辑。
提醒一点：我们上面也说过，head 节点代表当前持有锁的线程，那么如果当前节点的 pred 节点是 head 节点，很可能此时 head 节点已经释放锁了，所以此时需要再次尝试获取锁。
接下来继续看挂起逻辑源码：
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 如果 pred 节点为 SIGNAL 状态，返回true，说明当前节点需要挂起
return true;
// 如果ws > 0,说明节点状态为CANCELLED，需要从队列中删除
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 如果是其它状态，则操作CAS统一改成SIGNAL状态
// 由于这里waitStatus的值只能是0或者PROPAGATE，所以我们将节点设置为SIGNAL，从新循环一次判断
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
这一步 shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) 方法主要做了以下事情：
- 判断 pred 节点状态，如果为 SIGNAL 状态，则直接返回 true 执行挂起；
- 删除状态为 CANCELLED 的节点；
- 若 pred 节点状态为 0 或者 PROPAGATE，则将其设置为为 SIGNAL，再从 acquireQueued 方法自旋操作从新循环一次判断。
通俗来说就是：根据 pred 节点状态来判断当前节点是否可以挂起，如果该方法返回 false，那么挂起条件还没准备好，就会重新进入 acquireQueued(final Node node, int arg) 的自旋体，重新进行判断。如果返回 true，那就说明当前线程可以进行挂起操作了，那么就会继续执行挂起。
这里需要注意的时候，节点的初始值为 0，因此如果获取锁失败，会尝试将节点设置为 SIGNAL。
继续看挂起逻辑：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
LockSupport 是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。LockSupport 提供 park() 和 unpark() 方法实现阻塞线程和解除线程阻塞。release 释放锁方法逻辑会调用 LockSupport.unPark 方法来唤醒后继节点。
获取独占锁流程图：
释放锁
释放锁方法：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
释放锁的方法源码就很好理解，通过 tryRelease(arg) 方法尝试释放锁，这个方法需要实现类自己实现释放锁的逻辑，释放锁成功后则执行后面的唤醒后续节点的逻辑了，然后判断 head 节点不为空并且 head 节点状态不为 0，因为 addWaiter 方法默认的节点状态为 0，此时节点还没有进入就绪状态。
继续往下看源码：
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 将头节点的状态设置为0
// 这里会尝试清除头节点的状态，改为初始状态
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 后继节点
Node s = node.next;
// 如果后继节点为null，或者已经被取消了
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// for循环从队列尾部一直往前找可以唤醒的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 唤醒后继节点
LockSupport.unpark(s.thread);
}
从源码可看出：释放锁主要是将头节点的后继节点唤醒，如果后继节点不符合唤醒条件，则从队尾一直往前找，直到找到符合条件的节点为止。
总结
这篇文章主要讲述了 AQS 的内部结构和它的同步实现原理，并从源码的角度深度剖析了 AQS 独占锁模式下的获取锁与释放锁的逻辑，并且从源码中我们得出：在独占锁模式下，用 state 值表示锁并且 0 表示无锁状态，0 -> 1 表示从无锁到有锁，仅允许一条线程持有锁，其余的线程会被包装成一个 Node 节点放到队列中进行挂起，队列中的头节点表示当前正在执行的线程，当头节点释放后会唤醒后继节点，从而印证了 AQS 的队列是一个 FIFO 同步队列。
Java并发之AQS源码分析（二）
我在Java并发之AQS源码分析（一）这篇文章中，从源码的角度深度剖析了 AQS 独占锁模式下的获取锁与释放锁的逻辑，如果你把这部分搞明白了，再看共享锁的实现原理，思路就会清晰很多。下面我们继续从源码中窥探共享锁的实现原理。
共享锁
获取锁
public final void acquireShared(int arg) {
// 尝试获取共享锁，小于0表示获取失败
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 执行获取锁失败的逻辑
doAcquireShared(arg);
}
这里的 tryAcquireShared 方法是留给实现方去实现获取锁的具体逻辑的，我们主要看 doAcquireShared 方法的实现逻辑：
private void doAcquireShared(int arg) {
// 添加共享锁类型节点到队列中
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
// 再次尝试获取共享锁
int r = tryAcquireShared(arg);
// 如果在这里成功获取共享锁，会进入共享锁唤醒逻辑
if (r >= 0) {
// 共享锁唤醒逻辑
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 与独占锁相同的挂起逻辑
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
看到上面的代码，是不是有一种熟悉的感觉，同样是采用了自旋机制，在线程挂起之前，不断地循环尝试获取锁，不同的是，一旦获取共享锁，会调用 setHeadAndPropagate 方法同时唤醒后继节点，实现共享模式，下面是唤醒后继节点代码逻辑：
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
// 头节点
Node h = head;
// 设置当前节点为新的头节点
// 这里不需要加锁操作，因为获取共享锁后，会从FIFO队列中依次唤醒队列，并不会产生并发安全问题
setHead(node);
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
// 后继节点
Node s = node.next;
// 如果后继节点为空或者后继节点为共享类型，则进行唤醒后继节点
// 这里后继节点为空意思是只剩下当前头节点了
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}
该方法主要做了两个重要的步骤：
- 将当前节点设置为新的头节点，这点很重要，这意味着当前节点的前置节点（旧头节点）已经获取共享锁了，从队列中去除；
- 调用 doReleaseShared 方法，它会调用 unparkSuccessor 方法唤醒后继节点。
释放锁
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 由用户自行实现释放锁条件
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 执行释放锁
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
下面是释放锁逻辑：
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
// 从头节点开始执行唤醒操作
// 这里需要注意，如果从setHeadAndPropagate方法调用该方法，那么这里的head是新的头节点
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
//表示后继节点需要被唤醒
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 初始化节点状态
//这里需要CAS原子操作，因为setHeadAndPropagate和releaseShared这两个方法都会顶用doReleaseShared，避免多次unpark唤醒操作
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
// 如果初始化节点状态失败，继续循环执行
continue; // loop to recheck cases
// 执行唤醒操作
unparkSuccessor(h);
}
//如果后继节点暂时不需要唤醒，那么当前头节点状态更新为PROPAGATE，确保后续可以传递给后继节点
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
// 如果在唤醒的过程中头节点没有更改，退出循环
// 这里防止其它线程又设置了头节点，说明其它线程获取了共享锁，会继续循环操作
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
共享锁的释放锁逻辑比独占锁的释放锁逻辑稍微复杂，原因是共享锁需要释放队列中所有共享类型的节点，因此需要循环操作，由于释放锁过程中会涉及多个地方修改节点状态，此时需要 CAS 原子操作来并发安全。
获取共享锁流程图：
总结
跟独占锁相比，从流程图也可看出，共享锁的主要特征是当有一个线程获取到锁之后，那么它就会依次唤醒等待队列中可以跟它共享的节点，当然这些节点也是共享锁类型。