概述

全称是 AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架，AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。

  • 特点：
    用 state属性来表示资源的状态（分独占模式和共享模式），子类需要定义如何维护这个状态，控制如何获取锁和释放锁
    getState- 获取 state状态
    setState- 设置 state状态
    compareAndSetState- cas机制设置 state状态
    独占模式是只有一个线程能够访问资源，而共享模式可以允许多个线程访问资源
  • 提供了基于 FIFO 的等待队列，类似于 Monitor的 EntryList
  • 提供了条件变量来实现等待、唤醒机制，支持多个条件变量，类似于 Monitor的 WaitSet
  • 子类主要实现这样一些方法（默认抛出 UnsupportedOperationException）
    • isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
    • 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，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

      框架结构

      它维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）
      AQS原理 - 图2
      以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。
      　　再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要小于等于线程个数最好一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。
      　　一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

源码详解

AQS使用一个volatile的int类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO队列来完成资源获取的排队工作，将每个要去抢占资源的线程封装成 一个Node节点来实现锁的分配，通过CAS完成对State值的修改。

结点状态waitStatus

Node结点是对每一个等待获取资源的线程的封装，其包含了需要同步的线程本身及其等待状态，如是否被阻塞、是否等待唤醒、是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前Node结点的等待状态，共有5种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE、0。

  • CANCELLED(1)：表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断（响应中断的情况下），会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
  • SIGNAL(-1)：表示后继结点在等待当前结点唤醒（**前继节点有责任换醒后继线程**）。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为SIGNAL。
  • CONDITION(-2)：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
  • PROPAGATE(-3)：共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。
  • 0：新结点入队时的默认状态。

注意：负值表示结点处于有效等待状态，而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、<0来判断结点的状态是否正常。

获取独占锁

acquire(int)

该方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。这也正是lock()的语义，当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了。

  1.  public final void acquire(int arg) {
  2.         if (!tryAcquire(arg) &&
  3.             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
  4.             selfInterrupt();
  5.     }
  • 分析
  1. tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回
  2. addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
  3. acquireQueued()使线程阻塞在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上
  • 执行流程
  1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
  2. 没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
  3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

image.png

tryAcquire(int)

该方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义，AbstractQueuedSynchronizer里的tryAcquire没有做方法实现，因为AQS只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现，之所以没有定义成abstract，是因为独占模式下只要实现tryAcquire-tryRelease两个方法，而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared两个方法。如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口

  1. java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#tryAcquire 抽象类默认
  2. protected boolean tryAcquire(int arg) {
  3.         throw new UnsupportedOperationException();
  4.     }
  6. java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync#tryAcquire 子类实现
  7. protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
  8.             return nonfairTryAcquire(acquires);
  9.         }
  11. java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.FairSync#tryAcquire  子类实现     
  12. protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
  13.             final Thread current = Thread.currentThread();
  14.             int c = getState();
  15.             if (c == 0) {
  16.                 if (!hasQueuedPredecessors() &&
  17.                     compareAndSetState(0, acquires)) {
  18.                     setExclusiveOwnerThread(current);
  19.                     return true;
  20.                 }
  21.             }
  22.             else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
  23.                 int nextc = c + acquires;
  24.                 if (nextc < 0)
  25.                     throw new Error("Maximum lock count exceeded");
  26.                 setState(nextc);
  27.                 return true;
  28.             }
  29.             return false;
  30.         }

addWaiter(Node)

该方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点

  1. private Node addWaiter(Node mode) {
  2.          //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
  3.         Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
  4.             //尝试快速方式直接放到队尾。
  5.         Node pred = tail;
  6.         if (pred != null) {
  7.             node.prev = pred;
  8.             if (compareAndSetTail(pred, node)) {
  9.                 pred.next = node;
  10.                 return node;
  11.             }
  12.         }
  13.          //上一步失败则通过enq入队。
  14.         enq(node);
  15.         return node;
  16.     }

enq(Node)

该方法用于将node加入队尾

  1.  private Node enq(final Node node) {
  2.       //CAS"自旋"，直到成功加入队尾
  3.         for (;;) {
  4.             Node t = tail;
  5.             if (t == null) { 
  6.                 //初始化 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。
  7.                 if (compareAndSetHead(new Node()))
  8.                     tail = head;
  9.             } else {
  10.                 //正常流程，放入队尾
  11.                 node.prev = t;
  12.                 if (compareAndSetTail(t, node)) {
  13.                     t.next = node;
  14.                     return t;
  15.                 }
  16.             }
  17.         }
  18.     }

首次进入该方法时,还没有对头和对尾的节点，会使用cas创建一个空节点
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若是执行cas操作失败，则第二次循环进入else逻辑
image.png

acquireQueued(Node, int)

当执行到该方法时说明当前线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。当前线程需要进入等待状态状态，直到其他线程彻底释放资源后唤醒，简而言之就是让当前线程在等待队列中排队，直到被唤醒。

  1. 结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；
  2. 调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；
  3. 被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。
    1. final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    2.      //标记是否成功拿到资源
    3.      boolean failed = true;
    4.      try {
    5.          //标记等待过程中是否被中断过
    6.          boolean interrupted = false;
    7.          //CAS自旋
    8.          for (; ; ) {
    9.              //拿到前驱节点
    10.              final Node p = node.predecessor();
    11.              //如果前驱是head，即该结点已成第二个节点，那么便有资格去尝试获取资源
    12.              if (p == head && tryAcquire(arg)) {
    13.                  //拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，
    14.                  //就是当前获取到资源的那个结点或null。
    15.                  setHead(node);
    16.                  // setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，
    17.                  //就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！
    18.                  p.next = null;
    19.                  // 成功获取资源
    20.                  failed = false;
    21.                  //返回等待过程中是否被中断过
    22.                  return interrupted;
    23.              }
    24.              //如果自己可以休息了，就通过park()进入waiting状态，直到被unpark()。
    25.              //如果不可中断的情况下被中断了，
    26.              //那么会从park()中醒过来，发现拿不到资源，从而继续进入park()等待。
    27.              if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
    28.                  //如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true
    29.                  interrupted = true;
    30.          }
    31.      } finally {
    32.          // 如果等待过程中没有成功获取资源（如timeout，或者可中断的情况下被中断了），
    33.          //那么取消结点在队列中的等待。
    34.          if (failed)
    35.              cancelAcquire(node);
    36.      }
    37. }

    shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

    该方法主要用于检查状态，看看自己是否真的可以进入等待了，防止队列前边的线程都放弃了。整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么当前线程就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。 ```java private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    1.      //拿到前驱的状态
    2.  int ws = pred.waitStatus;
    3.  if (ws == Node.SIGNAL)
    4.     //如果前驱节点状态为-1,则直接进入等待队列
    5.      return true;
    6.  if (ws > 0) {
    7.     // 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，
    8.      //并排在它的后边。
    9.      do {
    10.          node.prev = pred = pred.prev;
    11.      } while (pred.waitStatus > 0);
    12.      pred.next = node;
    13.  } else {
    14.     //如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。
    15.      compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    16.  }
    17.  return false;
    }
  1. <a name="4wPZS"></a>
  2. ### parkAndCheckInterrupt()
  3. 　　如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。`park()`会让当前线程进入`waiting`状态。在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被`unpark()`；2）被`interrupt()`。需要注意的是，`Thread.interrupted()`会清除当前线程的中断标记位。 
  4. ```java
  5.    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
  6.        //调用park()使线程进入waiting状态
  7.         LockSupport.park(this);
  8.        //如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。
  9.         return Thread.interrupted();
  10.     }

释放独占锁

release(int)

该方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是，它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了。

  1.  public final boolean release(int arg) {
  2.         if (tryRelease(arg)) {
  3.             //找到头结点
  4.             Node h = head;
  5.             if (h != null && h.waitStatus != 0)
  6.                 //唤醒等待队列里的下一个线程(后继线程)
  7.                 unparkSuccessor(h);
  8.             return true;
  9.         }
  10.         return false;
  11.     }

tryRelease(int)

该方法尝试去释放指定量的资源，跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了，所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false

  1.   protected boolean tryRelease(int arg) {
  2.         throw new UnsupportedOperationException();
  3.    }
  4. //java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync#tryRelease 子类实现
  5. protected final boolean tryRelease(int releases) {
  6.     int c = getState() - releases;
  7.     if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
  8.         throw new IllegalMonitorStateException();
  9.     boolean free = false;
  10.     if (c == 0) {
  11.         free = true;
  12.         setExclusiveOwnerThread(null);
  13.     }
  14.     setState(c);
  15.     return free;
  16. }

unparkSuccessor(Node)

该方法用于唤醒等待队列中下一个线程，简单点说就是用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程
结合acquireQueued()联系起来，s被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断，即使p!=head也没关系，它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的一次或多次调整，s也必然会跑到head的next结点，下一次自旋p==head就成立了，然后s把自己设置成head结点，表示自己已经获取到资源了，acquire()也返回了

  1. private void unparkSuccessor(Node node) {
  2.         //node一般为当前线程所在的结点。
  3.         int ws = node.waitStatus;
  4.         if (ws < 0)
  5.             //置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
  6.             compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
  7.        //找到下一个需要唤醒的结点s
  8.         Node s = node.next;
  9.         if (s == null || s.waitStatus > 0) {
  10.             //如果为空或已取消
  11.             s = null;
  12.             for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
  13.                 // 从后向前找
  14.                 if (t.waitStatus <= 0)
  15.                     s = t;
  16.         }
  17.         if (s != null)
  18.             //唤醒
  19.             LockSupport.unpark(s.thread);
  20.     }

release异常

如果获取锁的线程在release时异常了，没有unpark队列中的其他结点，这时队列中的其他结没法再被唤醒

  1. public class ReleaseException {
  3.     static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  5.     public static void main(String[] args) {
  6.         ReleaseException r = new ReleaseException();
  7.         r.testReleaseException();
  8.     }
  10.     public void testReleaseException() {
  11.         for (int i = 0; i < 2; i++) {
  12.             new MyThread(i).start();
  13.             //确保线程0先启动
  14.             Sleeper.sleep(2);
  15.         }
  16.         //主线程等待60s
  17.         Sleeper.sleep(60);
  18.     }
  20.     class MyThread extends Thread {
  21.         private int index;
  23.         public MyThread(int index) {
  24.             this.index = index;
  25.         }
  27.         @Override
  28.         public void run() {
  29.             Thread.currentThread().setName("my-" + index);
  30.             log.info("{}:加锁前", index);
  31.             lock.lock();
  32.             try {
  33.                 log.info("{}:已经获取锁", index);
  34.                 if (index == 0) {
  35.                     //线程0 sleep 3秒
  36.                     Sleeper.sleep(3);
  37.                 } else {
  38.                     //线程1 sleep 300秒
  39.                     Sleeper.sleep(30);
  40.                 }
  41.             } finally {
  42.                 //通过debug，让线程0在unlock()->release()->unparkSuccessor(Node node)时，强制让node=null，从而让"int ws = node.waitStatus;"抛出NPE，无法执行后续的unpark操作。
  43.                 lock.unlock();
  44.                 log.info("{}:释放锁", index);
  45.             }
  46.         }
  47.     }
  48. }

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NPE后等了很久，线程1都没有得到执行，一直在死等

获取共享锁

acquireShared(int)

该方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。
这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值代表获取失败；0代表获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。所以这里acquireShared()的流程就是：

  1. tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
  2. 失败则通过doAcquireShared()进入等待队列，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。

跟acquire()的流程大同小异，只不过多了个自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作

  1.  public final void acquireShared(int arg) {
  2.         if (tryAcquireShared(arg) < 0)
  3.             doAcquireShared(arg);
  4.     }

doAcquireShared(int)

该方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回

  1.  private void doAcquireShared(int arg) {
  2.          //加入队列尾部
  3.         final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
  4.              //是否成功标志
  5.         boolean failed = true;
  6.         try {
  7.             //等待过程中是否被中断过的标志
  8.             boolean interrupted = false;
  9.             for (;;) {
  10.                 //找到前驱节点
  11.                 final Node p = node.predecessor();
  12.                     //如果前驱节点是head，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的
  13.                 if (p == head) {
  14.                     //尝试获取资源
  15.                     int r = tryAcquireShared(arg);
  16.                     if (r >= 0) {
  17.                         //将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
  18.                         setHeadAndPropagate(node, r);
  19.                         p.next = null; 
  20.                         if (interrupted)
  21.                             //如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
  22.                             selfInterrupt();
  23.                         failed = false;
  24.                         return;
  25.                     }
  26.                 }
  27.                  //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
  28.                 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
  29.                     parkAndCheckInterrupt())
  30.                     interrupted = true;
  31.             }
  32.         } finally {
  33.             if (failed)
  34.                 cancelAcquire(node);
  35.         }
  36.     }

setHeadAndPropagate(Node, int)

该方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式

  1.  private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
  2.         Node h = head; 
  3.         //head指向自己
  4.         setHead(node);
  5.         //如果后面还有节点，继续唤醒下一个邻居线程
  6.         if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
  7.             (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
  8.             Node s = node.next;
  9.             if (s == null || s.isShared())
  10.                 doReleaseShared();
  11.         }
  12.     }

释放共享锁

releaseShared()

该方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
该方法跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的**tryRelease()**在完全释放掉资源（**state=0**）后，才会返回**true**去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。

  • 案例

资源总量是13，A->5 和B->7分别获取到资源并发运行，C->4来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量，然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看只有3个仍不够继续等待；随后B又释放2个，tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看有5个够自己用了，然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源（state=0）才返回true，所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。

  1.   public final boolean releaseShared(int arg) {
  2.           //尝试释放资源
  3.         if (tryReleaseShared(arg)) {
  4.             //唤醒后继结点
  5.             doReleaseShared();
  6.             return true;
  7.         }
  8.         return false;
  9.     }

doReleaseShared()

该方法主要用于唤醒后继。

  1. private void doReleaseShared() {
  2.     for (;;) {
  3.         //自旋
  4.         Node h = head;
  5.         if (h != null && h != tail) {
  6.             int ws = h.waitStatus;
  7.             if (ws == Node.SIGNAL) {
  8.                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
  9.                     continue;
  10.                 //唤醒后继
  11.                 unparkSuccessor(h);
  12.             }
  13.             else if (ws == 0 &&
  14.                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
  15.                 continue;
  16.         }
  17.         if (h == head)
  18.             // head发生变化
  19.             break;
  20.     }
  21. }

主要用到 AQS 的并发工具类

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