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一、前言

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer，是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，被认为是 J.U.C 的核心。使用AQS可以简单并高效地构造应用广泛的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS构造出符合我们自己需求的自定义同步器。

二、AQS 原理分析

1. AQS 数据结构

下图是 AQS 底层的数据结构：

从图中可以看到存在两个数据结构 Sync queue、Condition queue。

• 同步队列（Sync queue）是双向链表，是队列的一种实现，因此也可以将它当成一种队列，它内部的节点主要包含了5个属性，后续会进行描述，还包含 head、tail 节点。
• 条件队列（Condition queue）是单向链表，不是必须的，只有当程序中需要 Condition 变量时，才会存在这个单向链表，同时如果包含多个 Condition 变量时还可以存在多个条件队列。

2. AQS 的继承关系

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public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable

从类继承关系可知，AbstractQueuedSynchronizer继承自AbstractOwnableSynchronizer抽象类，并且实现了Serializable接口，可以进行序列化。

3. AQS 类属性与内部类

• 属性

  AQS 的属性很简单，其实有一个父类中的变量也很重要。

  private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer

  表示当前持有锁的线程，因为锁要进行重入。

  reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次，所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁。

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  /** * Head of the wait queue, lazily initialized. Except for * initialization, it is modified only via method setHead. Note: * If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be * CANCELLED. */ // 头结点，可以当作持有锁的线程 private transient volatile Node head; /** * Tail of the wait queue, lazily initialized. Modified only via * method enq to add new wait node. */ // 阻塞的尾节点，每个新的节点进来，都插入到最后，也就形成了一个链表 private transient volatile Node tail; /** * The synchronization state. */ // 共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性 // 这个是最重要的，代表当前锁的状态，0代表没有被占用，大于 0 代表有线程持有当前锁 // 这个值可以大于 1，是因为锁可以重入，每次重入都加上 1 private volatile int state;

• 内部类

  Node 类封装了每个线程，每个Node 实例就是同步队列的一个节点，将线程进行封装，用来等待锁资源。

  注意：在阻塞队列中不包含 head 节点。

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  static final class Node { // 模式，分为共享与独占 // 共享模式 static final Node SHARED = new Node(); // 独占模式 static final Node EXCLUSIVE = null; // 结点状态 // CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消 // SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark // CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中 // PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行 // 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁 static final int CANCELLED = 1; static final int SIGNAL = -1; static final int CONDITION = -2; static final int PROPAGATE = -3; // 结点状态 volatile int waitStatus; // 前驱结点 volatile Node prev; // 后继结点 volatile Node next; // 结点所对应的线程 volatile Thread thread; // 下一个等待者 Node nextWaiter; // 结点是否在共享模式下等待 final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } // 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常 final Node predecessor() throws NullPointerException { // 保存前驱结点 Node p = prev; if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常 throw new NullPointerException(); else // 前驱结点不为空，返回 return p; } // 无参构造方法 Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker } // 构造方法 Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } // 构造方法 Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; } }

  Condition 的实现类 ConditionObject。（代码较长）

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  public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; // 条件队列的第一个节点 // 不要管这里的关键字 transient，是不参与序列化的意思 private transient Node firstWaiter; // 条件队列的最后一个节点 private transient Node lastWaiter; ......

  此类实现 Condition 接口，Condition 接口定义了条件操作规范，具体如下：

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  public interface Condition { // 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态 void await() throws InterruptedException; // 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断 void awaitUninterruptibly(); //等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态 long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于：awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0 boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态 boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; // 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。 void signal(); // 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。 void signalAll(); }

  Condition接口中定义了await、signal函数，用来等待条件、释放条件。

4. 类的构造函数

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protected AbstractQueuedSynchronizer() { } 

此类构造函数为从抽象构造函数，供子类调用。

5. 类的核心函数

主要以独占模式的函数进行分析。这部分主要参考，跟着这个分析来跟踪源码会很清晰。

1. acquire 方法

   为了分析该函数，我们以 ReentrantLock 的 lock 函数的具体实现来进行。ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁，所以真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的。

   1 2	abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { }

   Sync 有两个实现，分别为 NonfairSync（非公平锁）和 FairSync（公平锁），我们看 FairSync 部分。

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   public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); }

   现在开始跟踪流程：

   1. 首先跟踪到 acquire 方法

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      static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; // 争锁 final void lock() { acquire(1); } // 来自父类AQS，我直接贴过来这边，下面分析的时候同样会这样做，不会给读者带来阅读压力 // 我们看到，这个方法，如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。 // 否则，acquireQueued方法会将线程压到队列中 public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1 // 首先调用tryAcquire(1)一下，名字上就知道，这个只是试一试 // 因为有可能直接就成功了呢，也就不需要进队列排队了， // 对于公平锁的语义就是：本来就没人持有锁，根本没必要进队列等待(又是挂起，又是等待被唤醒的) if (!tryAcquire(arg) && // tryAcquire(arg)没有成功，这个时候需要把当前线程挂起，放到阻塞队列中。 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) { selfInterrupt(); } } .....

      由源码可以知道，当一个线程调用 acquare 时，调用方法流程如下：

      

   2. tryAcquire 方法

      再来看看 tryAcquire 流程

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      /** * Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless * recursive call or no waiters or is first. */ // 尝试直接获取锁，返回值是boolean，代表是否获取到锁 // 返回true：1.没有线程在等待锁；2.重入锁，线程本来就持有锁，也就可以理所当然可以直接获取 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // state == 0 此时此刻没有线程持有锁 if (c == 0) { // 虽然此时此刻锁是可以用的，但是这是公平锁，既然是公平，就得讲究先来后到， // 看看有没有别人在队列中等了半天了 if (!hasQueuedPredecessors() && // 如果没有线程在等待，那就用CAS尝试一下，成功了就获取到锁了， // 不成功的话，只能说明一个问题，就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了 =_= // 因为刚刚还没人的，我判断过了 compareAndSetState(0, acquires)) { // 到这里就是获取到锁了，标记一下，告诉大家，现在是我占用了锁 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 会进入这个else if分支，说明是重入了，需要操作：state=state+1 // 这里不存在并发问题 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } // 如果到这里，说明前面的if和else if都没有返回true，说明没有获取到锁 // 回到上面一个外层调用方法继续看: // if (!tryAcquire(arg) // && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // selfInterrupt(); return false; }

   3. addWaiter 方法

      假设 tryAcquire(arg) 返回 false，那么代码将执行

      ​ acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

      接下来看：addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

      addWaiter方法使用快速添加的方式往sync queue尾部添加结点，如果sync queue队列还没有初始化，则会使用enq插入队列中。

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      /** * Creates and enqueues node for current thread and given mode. * * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared * @return the new node */ // 此方法的作用是把线程包装成node，同时进入到队列中 // 参数mode此时是Node.EXCLUSIVE，代表独占模式 private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure // 以下几行代码想把当前node加到链表的最后面去，也就是进到阻塞队列的最后 Node pred = tail; // tail!=null => 队列不为空(tail==head的时候，其实队列是空的，不过不管这个吧) if (pred != null) { // 将当前的队尾节点，设置为自己的前驱 node.prev = pred; // 用CAS把自己设置为队尾, 如果成功后，tail == node 了，这个节点成为阻塞队列新的尾巴 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 进到这里说明设置成功，当前node==tail, 将自己与之前的队尾相连， // 上面已经有 node.prev = pred，加上下面这句，也就实现了和之前的尾节点双向连接了 pred.next = node; // 线程入队了，可以返回了 return node; } } // 仔细看看上面的代码，如果会到这里， // 说明 pred==null(队列是空的) 或者 CAS失败(有线程在竞争入队) // 读者一定要跟上思路，如果没有跟上，建议先不要往下读了，往回仔细看，否则会浪费时间的 enq(node); return node; } /** * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. * @param node the node to insert * @return node's predecessor */ // 采用自旋的方式入队 // 之前说过，到这个方法只有两种可能：等待队列为空，或者有线程竞争入队， // 自旋在这边的语义是：CAS设置tail过程中，竞争一次竞争不到，我就多次竞争，总会排到的 private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; // 之前说过，队列为空也会进来这里 if (t == null) { // Must initialize // 初始化head节点 // 细心的读者会知道原来 head 和 tail 初始化的时候都是 null 的 // 还是一步CAS，你懂的，现在可能是很多线程同时进来呢 if (compareAndSetHead(new Node())) // 给后面用：这个时候head节点的waitStatus==0, 看new Node()构造方法就知道了 // 这个时候有了head，但是tail还是null，设置一下， // 把tail指向head，放心，马上就有线程要来了，到时候tail就要被抢了 // 注意：这里只是设置了tail=head，这里可没return哦，没有return，没有return // 所以，设置完了以后，继续for循环，下次就到下面的else分支了 tail = head; } else { // 下面几行，和上一个方法 addWaiter 是一样的， // 只是这个套在无限循环里，反正就是将当前线程排到队尾，有线程竞争的话排不上重复排 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }

   4. acquireQueued 方法

      继续回到这里

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      if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt();

      如果 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 返回true的话，意味着上面这段代码将进入selfInterrupt（）， 所以正常情况下，下面应该返回 false。这个方法非常重要，应该说真正的线程挂起，然后被唤醒后去获取锁，都在这个方法里了。

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      final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // p == head 说明当前节点虽然进到了阻塞队列，但是是阻塞队列的第一个，因为它的前驱是head // 注意，阻塞队列不包含head节点，head一般指的是占有锁的线程，head后面的才称为阻塞队列 // 所以当前节点可以去试抢一下锁 // 这里我们说一下，为什么可以去试试： // 首先，它是队头，这个是第一个条件，其次，当前的head有可能是刚刚初始化的node， // enq(node) 方法里面有提到，head是延时初始化的，而且new Node()的时候没有设置任何线程 // 也就是说，当前的head不属于任何一个线程，所以作为队头，可以去试一试， // tryAcquire已经分析过了, 忘记了请往前看一下，就是简单用CAS试操作一下state if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 到这里，说明上面的if分支没有成功，要么当前node本来就不是队头， // 要么就是tryAcquire(arg)没有抢赢别人，继续往下看 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { // 什么时候 failed 会为 true??? // tryAcquire() 方法抛异常的情况 if (failed) cancelAcquire(node); } }

      首先获取当前节点的前驱节点，如果前驱节点是头结点并且能够获取(资源)，代表该当前节点能够占有锁，设置头结点为当前节点，返回。否则，调用shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt方法，首先，我们看shouldParkAfterFailedAcquire方法，代码如下

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      // 刚刚说过，会到这里就是没有抢到锁呗，这个方法说的是："当前线程没有抢到锁，是否需要挂起当前线程？" // 第一个参数是前驱节点，第二个参数才是代表当前线程的节点 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; // 前驱节点的 waitStatus == -1 ，说明前驱节点状态正常，当前线程需要挂起，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; // 前驱节点 waitStatus大于0 ，之前说过，大于0 说明前驱节点取消了排队。 // 这里需要知道这点：进入阻塞队列排队的线程会被挂起，而唤醒的操作是由前驱节点完成的。 // 所以下面这块代码说的是将当前节点的prev指向waitStatus<=0的节点， // 简单说，就是为了找个好爹，因为你还得依赖它来唤醒呢，如果前驱节点取消了排队， // 找前驱节点的前驱节点做爹，往前遍历总能找到一个好爹的 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. */ // 仔细想想，如果进入到这个分支意味着什么 // 前驱节点的waitStatus不等于-1和1，那也就是只可能是0，-2，-3 // 在我们前面的源码中，都没有看到有设置waitStatus的，所以每个新的node入队时，waitStatu都是0 // 正常情况下，前驱节点是之前的 tail，那么它的 waitStatus 应该是 0 // 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1) compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } // 这个方法返回 false，那么会再走一次 for 循序， // 然后再次进来此方法，此时会从第一个分支返回 true return false; } // private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) // 这个方法结束根据返回值我们简单分析下： // 如果返回true, 说明前驱节点的waitStatus==-1，是正常情况，那么当前线程需要被挂起，等待以后被唤醒 // 我们也说过，以后是被前驱节点唤醒，就等着前驱节点拿到锁，然后释放锁的时候叫你好了 // 如果返回false, 说明当前不需要被挂起，为什么呢？往后看 // 跳回到前面是这个方法 // if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // parkAndCheckInterrupt()) // interrupted = true; // 1. 如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true， // 那么需要执行parkAndCheckInterrupt(): // 这个方法很简单，因为前面返回true，所以需要挂起线程，这个方法就是负责挂起线程的 // 这里用了LockSupport.park(this)来挂起线程，然后就停在这里了，等待被唤醒======= private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); }

      现在来看acquireQueued方法的整个的逻辑。逻辑如下:

      • 判断结点的前驱是否为head并且是否成功获取(资源)
      • 若步骤1均满足，则设置结点为head，之后会判断是否finally模块，然后返回。
      • 若步骤2不满足，则判断是否需要park当前线程，是否需要park当前线程的逻辑是判断结点的前驱结点的状态是否为SIGNAL，若是，则park当前结点，否则，不进行park操作。
      • 若park了当前线程，之后某个线程对本线程unpark后，并且本线程也获得机会运行。那么，将会继续进行步骤①的判断。

2. release 方法

   以独占模式释放对象。

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   // 唤醒的代码还是比较简单的，你如果上面加锁的都看懂了，下面都不需要看就知道怎么回事了 public void unlock() { sync.release(1); } public final boolean release(int arg) { // 往后看吧 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(); // 是否完全释放锁 boolean free = false; // 其实就是重入的问题，如果c==0，也就是说没有嵌套锁了，可以释放了，否则还不能释放掉 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } /** * Wakes up node's successor, if one exists. * * @param node the node */ // 唤醒后继节点 // 从上面调用处知道，参数node是head头结点 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节点当前waitStatus<0, 将其修改为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. */ // 下面的代码就是唤醒后继节点，但是有可能后继节点取消了等待（waitStatus==1） // 从队尾往前找，找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的 Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 从后往前找，仔细看代码，不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) // 唤醒线程 LockSupport.unpark(s.thread); }

三、总结

借用几个点的总结