在分析 Java 併發包 java.util.concurrent 源碼的時候，少不了需要了解 AbstractQueuedSynchronizer（以下簡寫AQS）這個抽象類，因為它是 Java 併發包的基礎工具類，是實現 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等類的基礎。
Google 一下 AbstractQueuedSynchronizer，我們可以找到很多關於 AQS 的介紹，但是很多都沒有介紹清楚，因為大部分文章沒有把其中的一些關鍵的細節說清楚。
本文將從 ReentrantLock 的公平鎖源碼出發，分析下 AbstractQueuedSynchronizer 這個類是怎麼工作的，希望能給大家提供一些簡單的幫助。
申明以下幾點：
- 本文有點長，但還是挺簡單，主要面向讀者對象為併發編程的初學者，或者想要閱讀 Java 併發包源碼的開發者。對於新手來說，可能需要花好幾個小時才能完全看懂，但是這時間肯定是值得的。
- 源碼環境 JDK1.7（1.8沒啥變化），看到不懂或有疑惑的部分，最好能自己打開源碼看看。Doug Lea 大神的代碼寫得真心不錯。
- 本文不分析共享模式。
- 本文大量使用我們平時用得最多的 ReentrantLock 的概念，本質上來說是不正確的，讀者應該清楚，AQS 不僅僅用來實現可重入鎖，只是希望讀者可以用鎖來聯想 AQS 的使用場景，降低閱讀壓力。
- ReentrantLock 的公平鎖和非公平鎖只有一點點區別
- 評論區有讀者反饋本文直接用代碼說不友好，應該多配點流程圖，這篇文章確實有這個問題。但是作為過來人，我想告訴大家，對於 AQS 來說，形式真的不重要，重要的是把細節說清楚。
AQS 結構
先來看看 AQS 有哪些屬性，搞清楚這些基本就知道 AQS 是什麼套路了，畢竟可以猜嘛！
<code>// 頭結點，你直接把它當做 當前持有鎖的線程 可能是最好理解的private transient volatile Node head;// 阻塞的尾節點，每個新的節點進來，都插入到最後，也就形成了一個鏈表private transient volatile Node tail;// 這個是最重要的，代表當前鎖的狀態，0代表沒有被佔用，大於 0 代表有線程持有當前鎖// 這個值可以大於 1，是因為鎖可以重入，每次重入都加上 1private volatile int state;// 代表當前持有獨佔鎖的線程，舉個最重要的使用例子，因為鎖可以重入// reentrantLock.lock()可以嵌套調用多次，所以每次用這個來判斷當前線程是否已經擁有了鎖// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}private transient Thread exclusiveOwnerThread; //繼承自AbstractOwnableSynchronizer/<code> 怎麼樣，看樣子應該是很簡單的吧，畢竟也就四個屬性啊。
AbstractQueuedSynchronizer 的等待隊列示意如下所示，注意了，之後分析過程中所說的 queue，也就是阻塞隊列不包含 head，不包含 head，不包含 head。
等待隊列中每個線程被包裝成一個 Node 實例，數據結構是鏈表，一起看看源碼吧：
<code>static final class Node { // 標識節點當前在共享模式下 static final Node SHARED = new Node(); // 標識節點當前在獨佔模式下 static final Node EXCLUSIVE = null; // ======== 下面的幾個int常量是給waitStatus用的 =========== /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */ // 代碼此線程取消了爭搶這個鎖 static final int CANCELLED = 1; /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */ // 官方的描述是，其表示當前node的後繼節點對應的線程需要被喚醒 static final int SIGNAL = -1; /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */ // 本文不分析condition，所以略過吧，下一篇文章會介紹這個 static final int CONDITION = -2; /** * waitStatus value to indicate the next acquireShared should * unconditionally propagate */ // 同樣的不分析，略過吧 static final int PROPAGATE = -3; // ===================================================== // 取值為上面的1、-1、-2、-3，或者0(以後會講到) // 這麼理解，暫時只需要知道如果這個值 大於0 代表此線程取消了等待， // ps: 半天搶不到鎖，不搶了，ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。 volatile int waitStatus; // 前驅節點的引用 volatile Node prev; // 後繼節點的引用 volatile Node next; // 這個就是線程本尊 volatile Thread thread;}/<code>Node 的數據結構其實也挺簡單的，就是 thread + waitStatus + pre + next 四個屬性而已，大家先要有這個概念在心裡。
上面的是基礎知識，後面會多次用到，心裡要時刻記著它們，心裡想著這個結構圖就可以了。下面，我們開始說 ReentrantLock 的公平鎖。再次強調，我說的阻塞隊列不包含 head 節點。
首先，我們先看下 ReentrantLock 的使用方式。
<code>// 我用個web開發中的service概念吧public class OrderService { // 使用static，這樣每個線程拿到的是同一把鎖，當然，spring mvc中service默認就是單例，別糾結這個 private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true); public void createOrder() { // 比如我們同一時間，只允許一個線程創建訂單 reentrantLock.lock(); // 通常，lock 之後緊跟著 try 語句 try { // 這塊代碼同一時間只能有一個線程進來(獲取到鎖的線程)， // 其他的線程在lock()方法上阻塞，等待獲取到鎖，再進來 // 執行代碼... // 執行代碼... // 執行代碼... } finally { // 釋放鎖 reentrantLock.unlock(); } }}/<code>ReentrantLock 在內部用了內部類 Sync 來管理鎖，所以真正的獲取鎖和釋放鎖是由 Sync 的實現類來控制的。
<code>abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}/<code>Sync 有兩個實現，分別為 NonfairSync（非公平鎖）和 FairSync（公平鎖），我們看 FairSync 部分。
<code>public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}/<code>線程搶鎖
很多人肯定開始嫌棄上面廢話太多了，下面跟著代碼走，我就不廢話了。
<code>static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; // 爭鎖 final void lock() { acquire(1); } // 來自父類AQS，我直接貼過來這邊，下面分析的時候同樣會這樣做，不會給讀者帶來閱讀壓力 // 我們看到，這個方法，如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就結束了。 // 否則，acquireQueued方法會將線程壓到隊列中 public final void acquire(int arg) { // 此時 arg == 1 // 首先調用tryAcquire(1)一下，名字上就知道，這個只是試一試 // 因為有可能直接就成功了呢，也就不需要進隊列排隊了， // 對於公平鎖的語義就是：本來就沒人持有鎖，根本沒必要進隊列等待(又是掛起，又是等待被喚醒的) if (!tryAcquire(arg) && // tryAcquire(arg)沒有成功，這個時候需要把當前線程掛起，放到阻塞隊列中。 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) { selfInterrupt(); } } /** * Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless * recursive call or no waiters or is first. */ // 嘗試直接獲取鎖，返回值是boolean，代表是否獲取到鎖 // 返回true：1.沒有線程在等待鎖；2.重入鎖，線程本來就持有鎖，也就可以理所當然可以直接獲取 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // state == 0 此時此刻沒有線程持有鎖 if (c == 0) { // 雖然此時此刻鎖是可以用的，但是這是公平鎖，既然是公平，就得講究先來後到， // 看看有沒有別人在隊列中等了半天了 if (!hasQueuedPredecessors() && // 如果沒有線程在等待，那就用CAS嘗試一下，成功了就獲取到鎖了， // 不成功的話，只能說明一個問題，就在剛剛幾乎同一時刻有個線程搶先了 =_= // 因為剛剛還沒人的，我判斷過了 compareAndSetState(0, acquires)) { // 到這裡就是獲取到鎖了，標記一下，告訴大家，現在是我佔用了鎖 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 會進入這個else if分支，說明是重入了，需要操作：state=state+1 // 這裡不存在併發問題 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } // 如果到這裡，說明前面的if和else if都沒有返回true，說明沒有獲取到鎖 // 回到上面一個外層調用方法繼續看: // if (!tryAcquire(arg) // && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // selfInterrupt(); return false; } // 假設tryAcquire(arg) 返回false，那麼代碼將執行： //acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)， // 這個方法，首先需要執行：addWaiter(Node.EXCLUSIVE) /** * Creates and enqueues node for current thread and given mode. * * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared * @return the new node */ // 此方法的作用是把線程包裝成node，同時進入到隊列中 // 參數mode此時是Node.EXCLUSIVE，代表獨佔模式 private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure // 以下幾行代碼想把當前node加到鏈表的最後面去，也就是進到阻塞隊列的最後 Node pred = tail; // tail!=null => 隊列不為空(tail==head的時候，其實隊列是空的，不過不管這個吧) if (pred != null) { // 將當前的隊尾節點，設置為自己的前驅 node.prev = pred; // 用CAS把自己設置為隊尾, 如果成功後，tail == node 了，這個節點成為阻塞隊列新的尾巴 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 進到這裡說明設置成功，當前node==tail, 將自己與之前的隊尾相連， // 上面已經有 node.prev = pred，加上下面這句，也就實現了和之前的尾節點雙向連接了 pred.next = node; // 線程入隊了，可以返回了 return node; } } // 仔細看看上面的代碼，如果會到這裡， // 說明 pred==null(隊列是空的) 或者 CAS失敗(有線程在競爭入隊) // 讀者一定要跟上思路，如果沒有跟上，建議先不要往下讀了，往回仔細看，否則會浪費時間的 enq(node); return node; } /** * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. * @param node the node to insert * @return node's predecessor */ // 採用自旋的方式入隊 // 之前說過，到這個方法只有兩種可能：等待隊列為空，或者有線程競爭入隊， // 自旋在這邊的語義是：CAS設置tail過程中，競爭一次競爭不到，我就多次競爭，總會排到的 private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; // 之前說過，隊列為空也會進來這裡 if (t == null) { // Must initialize // 初始化head節點 // 細心的讀者會知道原來 head 和 tail 初始化的時候都是 null 的 // 還是一步CAS，你懂的，現在可能是很多線程同時進來呢 if (compareAndSetHead(new Node())) // 給後面用：這個時候head節點的waitStatus==0, 看new Node()構造方法就知道了 // 這個時候有了head，但是tail還是null，設置一下， // 把tail指向head，放心，馬上就有線程要來了，到時候tail就要被搶了 // 注意：這裡只是設置了tail=head，這裡可沒return哦，沒有return，沒有return // 所以，設置完了以後，繼續for循環，下次就到下面的else分支了 tail = head; } else { // 下面幾行，和上一個方法 addWaiter 是一樣的， // 只是這個套在無限循環裡，反正就是將當前線程排到隊尾，有線程競爭的話排不上重複排 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } } // 現在，又回到這段代碼了 // if (!tryAcquire(arg) // && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // selfInterrupt(); // 下面這個方法，參數node，經過addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，此時已經進入阻塞隊列 // 注意一下：如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的話， // 意味著上面這段代碼將進入selfInterrupt()，所以正常情況下，下面應該返回false // 這個方法非常重要，應該說真正的線程掛起，然後被喚醒後去獲取鎖，都在這個方法裡了 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // p == head 說明當前節點雖然進到了阻塞隊列，但是是阻塞隊列的第一個，因為它的前驅是head // 注意，阻塞隊列不包含head節點，head一般指的是佔有鎖的線程，head後面的才稱為阻塞隊列 // 所以當前節點可以去試搶一下鎖 // 這裡我們說一下，為什麼可以去試試： // 首先，它是隊頭，這個是第一個條件，其次，當前的head有可能是剛剛初始化的node， // enq(node) 方法裡面有提到，head是延時初始化的，而且new Node()的時候沒有設置任何線程 // 也就是說，當前的head不屬於任何一個線程，所以作為隊頭，可以去試一試， // tryAcquire已經分析過了, 忘記了請往前看一下，就是簡單用CAS試操作一下state if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 到這裡，說明上面的if分支沒有成功，要麼當前node本來就不是隊頭， // 要麼就是tryAcquire(arg)沒有搶贏別人，繼續往下看 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { // 什麼時候 failed 會為 true??? // tryAcquire() 方法拋異常的情況 if (failed) cancelAcquire(node); } } /** * Checks and updates status for a node that failed to acquire. * Returns true if thread should block. This is the main signal * control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev * * @param pred node's predecessor holding status * @param node the node * @return {@code true} if thread should block */ // 剛剛說過，會到這裡就是沒有搶到鎖唄，這個方法說的是："當前線程沒有搶到鎖，是否需要掛起當前線程？" // 第一個參數是前驅節點，第二個參數才是代表當前線程的節點 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; // 前驅節點的 waitStatus == -1 ，說明前驅節點狀態正常，當前線程需要掛起，直接可以返回true if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; // 前驅節點 waitStatus大於0 ，之前說過，大於0 說明前驅節點取消了排隊。 // 這裡需要知道這點：進入阻塞隊列排隊的線程會被掛起，而喚醒的操作是由前驅節點完成的。 // 所以下面這塊代碼說的是將當前節點的prev指向waitStatus<=0的節點， // 簡單說，就是為了找個好爹，因為你還得依賴它來喚醒呢，如果前驅節點取消了排隊， // 找前驅節點的前驅節點做爹，往前遍歷總能找到一個好爹的 if (ws > 0) { /* * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ 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. */ // 仔細想想，如果進入到這個分支意味著什麼 // 前驅節點的waitStatus不等於-1和1，那也就是隻可能是0，-2，-3 // 在我們前面的源碼中，都沒有看到有設置waitStatus的，所以每個新的node入隊時，waitStatu都是0 // 正常情況下，前驅節點是之前的 tail，那麼它的 waitStatus 應該是 0 // 用CAS將前驅節點的waitStatus設置為Node.SIGNAL(也就是-1) compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } // 這個方法返回 false，那麼會再走一次 for 循序， // 然後再次進來此方法，此時會從第一個分支返回 true return false; } // private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) // 這個方法結束根據返回值我們簡單分析下： // 如果返回true, 說明前驅節點的waitStatus==-1，是正常情況，那麼當前線程需要被掛起，等待以後被喚醒 //我們也說過，以後是被前驅節點喚醒，就等著前驅節點拿到鎖，然後釋放鎖的時候叫你好了 // 如果返回false, 說明當前不需要被掛起，為什麼呢？往後看 // 跳回到前面是這個方法 // if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // parkAndCheckInterrupt()) // interrupted = true; // 1. 如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true， // 那麼需要執行parkAndCheckInterrupt(): // 這個方法很簡單，因為前面返回true，所以需要掛起線程，這個方法就是負責掛起線程的 // 這裡用了LockSupport.park(this)來掛起線程，然後就停在這裡了，等待被喚醒======= private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); } // 2. 接下來說說如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的情況 // 仔細看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)，我們可以發現，其實第一次進來的時候，一般都不會返回true的，原因很簡單，前驅節點的waitStatus=-1是依賴於後繼節點設置的。也就是說，我都還沒給前驅設置-1呢，怎麼可能是true呢，但是要看到，這個方法是套在循環裡的，所以第二次進來的時候狀態就是-1了。 // 解釋下為什麼shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的時候不直接掛起線程： // => 是為了應對在經過這個方法後，node已經是head的直接後繼節點了。剩下的讀者自己想想吧。}/<code> 說到這裡，也就明白了，多看幾遍 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) 這個方法吧。自己推演下各個分支怎麼走，哪種情況下會發生什麼，走到哪裡。
解鎖操作
最後，就是還需要介紹下喚醒的動作了。我們知道，正常情況下，如果線程沒獲取到鎖，線程會被 LockSupport.park(this); 掛起停止，等待被喚醒。
<code>// 喚醒的代碼還是比較簡單的，你如果上面加鎖的都看懂了，下面都不需要看就知道怎麼回事了public void unlock() { sync.release(1);}public final boolean release(int arg) { // 往後看吧 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false;}// 回到ReentrantLock看tryRelease方法protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 是否完全釋放鎖 boolean free = false; // 其實就是重入的問題，如果c==0，也就是說沒有嵌套鎖了，可以釋放了，否則還不能釋放掉 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free;}/** * Wakes up node's successor, if one exists. * * @param node the node */// 喚醒後繼節點// 從上面調用處知道，參數node是head頭結點private void unparkSuccessor(Node node) { /* * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this * fails or if status is changed by waiting thread. */ int ws = node.waitStatus; // 如果head節點當前waitStatus<0, 將其修改為0 if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); /* * Thread to unpark is held in successor, which is normally * just the next node. But if cancelled or apparently null, * traverse backwards from tail to find the actual * non-cancelled successor. */ // 下面的代碼就是喚醒後繼節點，但是有可能後繼節點取消了等待（waitStatus==1） // 從隊尾往前找，找到waitStatus<=0的所有節點中排在最前面的 Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 從後往前找，仔細看代碼，不必擔心中間有節點取消(waitStatus==1)的情況 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) // 喚醒線程 LockSupport.unpark(s.thread);}/<code>喚醒線程以後，被喚醒的線程將從以下代碼中繼續往前走：
<code>private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); // 剛剛線程被掛起在這裡了 return Thread.interrupted();}// 又回到這個方法了：acquireQueued(final Node node, int arg)，這個時候，node的前驅是head了/<code> 好了，後面就不分析源碼了，剩下的還有問題自己去仔細看看代碼吧。
總結
總結一下吧。
在併發環境下，加鎖和解鎖需要以下三個部件的協調：
- 鎖狀態。我們要知道鎖是不是被別的線程佔有了，這個就是 state 的作用，它為 0 的時候代表沒有線程佔有鎖，可以去爭搶這個鎖，用 CAS 將 state 設為 1，如果 CAS 成功，說明搶到了鎖，這樣其他線程就搶不到了，如果鎖重入的話，state進行 +1 就可以，解鎖就是減 1，直到 state 又變為 0，代表釋放鎖，所以 lock() 和 unlock() 必須要配對啊。然後喚醒等待隊列中的第一個線程，讓其來佔有鎖。
- 線程的阻塞和解除阻塞。AQS 中採用了 LockSupport.park(thread) 來掛起線程，用 unpark 來喚醒線程。
- 阻塞隊列。因為爭搶鎖的線程可能很多，但是隻能有一個線程拿到鎖，其他的線程都必須等待，這個時候就需要一個 queue 來管理這些線程，AQS 用的是一個 FIFO 的隊列，就是一個鏈表，每個 node 都持有後繼節點的引用。AQS 採用了 CLH 鎖的變體來實現，感興趣的讀者可以參考這篇文章關於CLH的介紹，寫得簡單明瞭。
示例圖解析
下面屬於回顧環節，用簡單的示例來說一遍，如果上面的有些東西沒看懂，這裡還有一次幫助你理解的機會。
首先，第一個線程調用 reentrantLock.lock()，翻到最前面可以發現，tryAcquire(1) 直接就返回 true 了，結束。只是設置了 state=1，連 head 都沒有初始化，更談不上什麼阻塞隊列了。要是線程 1 調用 unlock() 了，才有線程 2 來，那世界就太太太平了，完全沒有交集嘛，那我還要 AQS 幹嘛。
如果線程 1 沒有調用 unlock() 之前，線程 2 調用了 lock(), 想想會發生什麼？
線程 2 會初始化 head【new Node()】，同時線程 2 也會插入到阻塞隊列並掛起 (注意看這裡是一個 for 循環，而且設置 head 和 tail 的部分是不 return 的，只有入隊成功才會跳出循環)
<code>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; } } }}/<code>首先，是線程 2 初始化 head 節點，此時 head==tail, waitStatus==0
然後線程 2 入隊：
同時我們也要看此時節點的 waitStatus，我們知道 head 節點是線程 2 初始化的，此時的 waitStatus 沒有設置， java 默認會設置為 0，但是到 shouldParkAfterFailedAcquire 這個方法的時候，線程 2 會把前驅節點，也就是 head 的waitStatus設置為 -1。
那線程 2 節點此時的 waitStatus 是多少呢，由於沒有設置，所以是 0；
如果線程 3 此時再進來，直接插到線程 2 的後面就可以了，此時線程 3 的 waitStatus 是 0，到 shouldParkAfterFailedAcquire 方法的時候把前驅節點線程 2 的 waitStatus 設置為 -1。
這裡可以簡單說下 waitStatus 中 SIGNAL(-1) 狀態的意思，Doug Lea 註釋的是：代表後繼節點需要被喚醒。也就是說這個 waitStatus 其實代表的不是自己的狀態，而是後繼節點的狀態，我們知道，每個 node 在入隊的時候，都會把前驅節點的狀態改為 SIGNAL，然後阻塞，等待被前驅喚醒。這裡涉及的是兩個問題：有線程取消了排隊、喚醒操作。其實本質是一樣的，讀者也可以順著 “waitStatus代表後繼節點的狀態” 這種思路去看一遍源碼。
作者：千珏
鏈接：https://juejin.im/post/5e11e4a35188253a782d8456
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