解读AbstractQueuedSynchronizer
前言
在咱们学校java并发编程的时候，并发包绝对是最值得咱们研究的资源。在分析并发包源码的时候，少不了须要AbstractQueuedSynchronizer(如下简写AQS)，它是整个并发包的基础工具类，是实现ReentranLock、CountDownLatch、Semaphore、FutrureTask等类的基础。
本文从ReentranLock的公平锁源码出发，分析下AQS怎么工做的，但愿能给你们一点帮助。java
AQS结构
先来看看 AQS 有哪些属性，搞清楚这些基本就知道 AQS 是什么套路了，毕竟能够猜嘛！node
// 头结点，你直接把它当作 当前持有锁的线程 多是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾节点，每一个新的节点进来，都插入到最后，也就造成了一个隐视的链表
private transient volatile Node tail;
// 这个是最重要的，不过也是最简单的，表明当前锁的状态，0表明没有被占用，大于0表明有线程持有当前锁
// 之因此说大于0，而不是等于1，是由于锁能够重入嘛，每次重入都加上1
private volatile int state;
// 表明当前持有独占锁的线程，举个最重要的使用例子，由于锁能够重入
// reentrantLock.lock()能够嵌套调用屡次，因此每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer
怎么样，看样子应该是很简单的吧，毕竟也就四个属性啊。web
AbstractQueuedSynchronizer 的等待队列示意以下所示，注意了，以后分析过程当中所说的 queue，也就是阻塞队列不包含 head，不包含 head，不包含 head。
spring
等待队列中每一个线程被包装成一个 node，数据结构是链表，一块儿看看源码吧：编程
static final class Node {
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
// 标识节点当前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
// 标识节点当前在独占模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;
// ======== 下面的几个int常量是给waitStatus用的 ===========
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
// 代码此线程取消了争抢这个锁
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
// 官方的描述是，其表示当前node的后继节点对应的线程须要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
// 本文不分析condition，因此略过吧，下一篇文章会介绍这个
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
// 一样的不分析，略过吧
static final int PROPAGATE = -3;
// =====================================================
// 取值为上面的一、-一、-二、-3，或者0(之后会讲到)
// 这么理解，暂时只须要知道若是这个值 大于0 表明此线程取消了等待，
// 也许就是说半天抢不到锁，不抢了，ReentrantLock是能够指定timeouot的。。。
volatile int waitStatus;
// 前驱节点的引用
volatile Node prev;
// 后继节点的引用
volatile Node next;
// 这个就是线程本尊
volatile Thread thread;
}
Node 的数据结构其实也挺简单的，就是 thread + waitStatus + pre + next 四个属性而已，你们先要有这个概念在内心。数据结构
上面的是基础知识，后面会屡次用到，内心要时刻记着它们，内心想着这个结构图就能够了。下面，咱们开始说 ReentrantLock 的公平锁。多嘴一下，我说的阻塞队列不包含 head 节点。多线程
首先，咱们先看下 ReentrantLock 的使用方式。并发
// 我用个web开发中的service概念吧
public class OrderService {
// 使用static，这样每一个线程拿到的是同一把锁，固然，spring mvc中service默认就是单例，别纠结这个
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
public void createOrder() {
// 好比咱们同一时间，只容许一个线程建立订单
reentrantLock.lock();
// 一般，lock 以后紧跟着 try 语句
try {
// 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程)，
// 其余的线程在lock()方法上阻塞，等待获取到锁，再进来
// 执行代码...
// 执行代码...
// 执行代码...
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}
}
}
ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁，因此真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的。Sync 有两个实现，分别为 NonfairSync（非公平锁）和 FairSync（公平锁），咱们看 FairSync 部分。mvc
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
}
线程抢锁
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，下面分析的时候一样会这样作，不会给读者带来阅读压力
// 咱们看到，这个方法，若是tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。
// 不然，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
// 由于有可能直接就成功了呢，也就不须要进队列排队了，
// 对于公平锁的语义就是：原本就没人持有锁，根本不必进队列等待(又是挂起，又是等待被唤醒的)
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)没有成功，这个时候须要把当前线程挂起，放到阻塞队列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
// 尝试直接获取锁，返回值是boolean，表明是否获取到锁
// 返回true：1.没有线程在等待锁；2.重入锁，线程原本就持有锁，也就能够理所固然能够直接获取
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) {
// 虽然此时此刻锁是能够用的，可是这是公平锁，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() &&
// 若是没有线程在等待，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 =_=
// 由于刚刚还没人的，我判断过了???
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 到这里就是获取到锁了，标记一下，告诉你们，如今是我占用了锁
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 会进入这个else if分支，说明是重入了，须要操做：state=state+1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 若是到这里，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;
}
// 假设tryAcquire(arg) 返回false，那么代码将执行：
// acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，
// 这个方法，首先须要执行：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
*/
// 此方法的做用是把线程包装成node，同时进入到队列中
// 参数mode此时是Node.EXCLUSIVE，表明独占模式
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 如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，不过无论这个吧)
if (pred != null) {
// 设置本身的前驱 为当前的队尾节点
node.prev = pred;
// 用CAS把本身设置为队尾, 若是成功后，tail == node了
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 进到这里说明设置成功，当前node==tail, 将本身与以前的队尾相连，
// 上面已经有 node.prev = pred
// 加上下面这句，也就实现了和以前的尾节点双向链接了
pred.next = node;
// 线程入队了，能够返回了
return node;
}
}
// 仔细看看上面的代码，若是会到这里，
// 说明 pred==null(队列是空的) 或者 CAS失败(有线程在竞争入队)
// 读者必定要跟上思路，若是没有跟上，建议先不要往下读了，往回仔细看，不然会浪费时间的
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
// 以前说过，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过程当中，竞争一次竞争不到，我就屡次竞争，总会排到的
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 以前说过，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，反正我不细心
// 仍是一步CAS，你懂的，如今多是不少线程同时进来呢
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，可是tail仍是null，设置一下，
// 把tail指向head，放心，立刻就有线程要来了，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
// 因此，设置完了之后，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 是同样的，
// 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;
}
}
}
}
// 如今，又回到这段代码了
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
// 下面这个方法，参数node，通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，此时已经进入阻塞队列
// 注意一下：若是acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的话，
// 意味着上面这段代码将进入selfInterrupt()，因此正常状况下，下面应该返回false
// 这个方法很是重要，应该说真正的线程挂起，而后被唤醒后去获取锁，都在这个方法里了
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，可是是阻塞队列的第一个，由于它的前驱是head
// 注意，阻塞队列不包含head节点，head通常指的是占有锁的线程，head后面的才称为阻塞队列
// 因此当前节点能够去试抢一下锁
// 这里咱们说一下，为何能够去试试：
// 首先，它是队头，这个是第一个条件，其次，当前的head有多是刚刚初始化的node，
// enq(node) 方法里面有提到，head是延时初始化的，并且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，因此做为队头，能够去试一试，
// tryAcquire已经分析过了, 忘记了请往前看一下，就是简单用CAS试操做一下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原本就不是队头，
// 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 {
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
*/
// 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，是否须要挂起当前线程？"
// 第一个参数是前驱节点，第二个参数才是表明当前线程的节点
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，当前线程须要挂起，直接能够返回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 ，以前说过，大于0 说明前驱节点取消了排队。这里须要知道这点：
// 进入阻塞队列排队的线程会被挂起，而唤醒的操做是由前驱节点完成的。
// 因此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，由于你还得依赖它来唤醒呢，若是前驱节点取消了排队，
// 找前驱节点的前驱节点作爹，往前循环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.
*/
// 仔细想一想，若是进入到这个分支意味着什么
// 前驱节点的waitStatus不等于-1和1，那也就是只多是0，-2，-3
// 在咱们前面的源码中，都没有看到有设置waitStatus的，因此每一个新的node入队时，waitStatu都是0
// 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
// private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
// 这个方法结束根据返回值咱们简单分析下：
// 若是返回true, 说明前驱节点的waitStatus==-1，是正常状况，那么当前线程须要被挂起，等待之后被唤醒
// 咱们也说过，之后是被前驱节点唤醒，就等着前驱节点拿到锁，而后释放锁的时候叫你好了
// 若是返回false, 说明当前不须要被挂起，为何呢？日后看
// 跳回到前面是这个方法
// if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// parkAndCheckInterrupt())
// interrupted = true;
// 1. 若是shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true，
// 那么须要执行parkAndCheckInterrupt():
// 这个方法很简单，由于前面返回true，因此须要挂起线程，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，而后就停在这里了，等待被唤醒=======
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
// 2. 接下来讲说若是shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的状况
// 仔细看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)，咱们能够发现，其实第一次进来的时候，通常都不会返回true的，缘由很简单，前驱节点的waitStatus=-1是依赖于后继节点设置的。也就是说，我都还没给前驱设置-1呢，怎么多是true呢，可是要看到，这个方法是套在循环里的，因此第二次进来的时候状态就是-1了。
// 解释下为何shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的时候不直接挂起线程：
// => 是为了应对在通过这个方法后，node已是head的直接后继节点了。剩下的读者本身想一想吧。
说到这里，也就明白了，多看几遍 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) 这个方法吧。本身推演下各个分支怎么走，哪一种状况下会发生什么，走到哪里。app
解锁操做
最后，就是还须要介绍下唤醒的动做了。咱们知道，正常状况下，若是线程没获取到锁，线程会被 LockSupport.park(this); 挂起中止，等待被唤醒。
// 唤醒的代码仍是比较简单的，你若是上面加锁的都看懂了，下面都不须要看就知道怎么回事了
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 日后看吧
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();
// 是否彻底释放锁
boolean free = false;
// 其实就是重入的问题，若是c==0，也就是说没有嵌套锁了，能够释放了，不然还不能释放掉
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;
// 若是head节点当前waitStatus<0, 将其修改成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，可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的全部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，没必要担忧中间有节点取消(waitStatus==1)的状况
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);
}
唤醒线程之后，被唤醒的线程将从如下代码中继续往前走：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 刚刚线程被挂起在这里了
return Thread.interrupted();
}
// 又回到这个方法了：acquireQueued(final Node node, int arg)，这个时候，node的前驱是head了
好了，后面就不分析源码了，剩下的还有问题本身去仔细看看代码吧。
总结
总结一下吧。
在并发环境下，加锁和解锁须要如下三个部件的协调：
锁状态。咱们要知道锁是否是被别的线程占有了，这个就是 state 的做用，它为 0 的时候表明没有线程占有锁，能够去争抢这个锁，用 CAS 将 state 设为 1，若是 CAS 成功，说明抢到了锁，这样其余线程就抢不到了，若是锁重入的话，state进行+1 就能够，解锁就是减 1，直到 state 又变为 0，表明释放锁，因此 lock() 和 unlock() 必需要配对啊。而后唤醒等待队列中的第一个线程，让其来占有锁。线程的阻塞和解除阻塞。AQS 中采用了 LockSupport.park(thread) 来挂起线程，用 unpark 来唤醒线程。阻塞队列。由于争抢锁的线程可能不少，可是只能有一个线程拿到锁，其余的线程都必须等待，这个时候就须要一个 queue 来管理这些线程，AQS 用的是一个 FIFO 的队列，就是一个链表，每一个 node 都持有后继节点的引用。AQS 采用了 CLH 锁的变体来实现，感兴趣的读者能够参考这篇文章关于CLH的介绍，写得简单明了。
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