大家好，我是小黑，一个在互联网苟且偷生的农民工。
在Java并发编程中，经常会用到锁，除了Synchronized这个JDK关键字以外，还有Lock接口下面的各种锁实现，如重入锁ReentrantLock，还有读写锁ReadWriteLock等，他们在实现锁的过程中都是依赖与AQS来完成核心的加解锁逻辑的。那么AQS具体是什么呢？
提供一个框架，用于实现依赖**先进先出（FIFO）**等待队列的阻塞锁和相关同步器（信号量，事件等）。 该类被设计为大多数类型的同步器的有用依据，这些同步器依赖于单个原子int值来表示状态。 子类必须定义改变此状态的受保护方法，以及根据该对象被获取或释放来定义该状态的含义。 给定这些，这个类中的其他方法执行所有排队和阻塞机制。 子类可以保持其他状态字段，但只以原子方式更新int使用方法操纵值getState() ， setState(int)和compareAndSetState(int, int)被跟踪相对于同步。
上述内容来自JDK官方文档。
简单来说，AQS是一个先进先出(FIFO)的等待队列，主要用在一些线程同步场景，需要通过一个int类型的值来表示同步状态。提供了排队和阻塞机制。
类图结构
从类图可以看出，在ReentrantLock中定义了AQS的子类Sync，可以通过Sync实现对于可重入锁的加锁，解锁。
AQS通过int类型的状态state来表示同步状态。
AQS中主要提供的方法：
acquire(int) 独占方式获取锁
acquireShared(int) 共享方式获取锁
release(int) 独占方式释放锁
releaseShared(int) 共享方式释放锁
独占锁和共享锁
关于独占锁和共享锁先给大家普及一下这个概念。
独占锁指该锁只能同时被一个线程持有；
共享锁指该锁可以被多个线程同时持有。
举个生活中的例子，比如我们使用打车软件打车，独占锁就好比我们打快车或者专车，一辆车只能让一个客户打到，不能两个客户同时打到一辆车；共享锁就好比打拼车，可以有多个客户一起打到同一辆车。
AQS内部结构
我们简单通过一张图先来了解下AQS的内部结构。其实就是有一个队列，这个队列的头结点head代表当前正在持有锁的线程，后续的其他节点代表当前正在等待的线程。
接下来我们通过源码来看看AQS的加锁和解锁过程。先来看看独占锁是如何进行加解锁的。
独占锁加锁过程
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();lock.lock();复制代码public void lock() { // 调用sync的lock方法 sync.lock();}复制代码可以看到在ReentrantLock的lock方法中，直接调用了sync这个AQS子类的lock方法。
final void lock() { // 获取锁 acquire(1);}public final void acquire(int arg) { // 1.先尝试获取，如果获取成功，则直接返回，代表加锁成功 if (!tryAcquire(arg) && // 2.如果获取失败，则调用addWaiter在等待队列中增加一个节点 // 3. 调用acquireQueued告诉前一个节点，在解锁之后唤醒自己,然后线程进入等待状态 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 如果在等待过程中被中断，则当前线程中断 selfInterrupt();}复制代码在获取锁时，基本可以分为3步：
- 尝试获取，如果成功则返回，如果失败，执行下一步；
- 将当前线程放入等待队列尾部；
- 标记前面等待的线程执行完之后唤醒当前线程。
/** * 尝试获取锁（公平锁实现） */protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取state，初始值为0，每次加锁成功会+1，解锁成功-1 int c = getState(); // 当前没有线程占用 if (c == 0) { // 判断是否有其他线程排队在本线程之前 if (!hasQueuedPredecessors() && // 如果没有，通过CAS进行加锁 compareAndSetState(0, acquires)) { // 将当前线程设置为AQS的独占线程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 如果当前线程是正在独占的线程（已持有锁，重入） else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // state+1 setState(nextc); return true; } return false;}复制代码private Node addWaiter(Node mode) { // 创建一个当前线程的Node节点 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure Node pred = tail; // 如果等待队列的尾节点!=null if (pred != null) { // 将本线程对应节点的前置节点设置为原来的尾节点 node.prev = pred; // 通过CAS将本线程节点设置为尾节点 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //尾节点为空，或者在CAS时失败，则通过enq方法重新加入到尾部。(本方法内部采用自旋) enq(node); return node;}private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; // 尾节点为空，代表等待队列还没有被初始化过 if (t == null) { // 创建一个空的Node对象，通过CAS赋值给Head节点，如果失败，则重新自旋一次，如果成功，将Head节点赋值给尾节点 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { // 尾节点不为空的情况，说明等待队列已经被初始化过，将当前节点的前置节点指向尾节点 node.prev = t; // 将当前节点CAS赋值给尾节点 if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } }}复制代码final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // 标识是否加锁失败 boolean failed = true; try { // 是否被中断 boolean interrupted = false; for (;;) { // 取出来当前节点的前一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 如果前一个节点是head节点，那么自己就是老二，这个时候再尝试获取一次锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 如果获取成功，把当前节点设置为head节点 setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; // 标识加锁成功 return interrupted; } // shouldParkAfterFailedAcquire 检查并更新前置节点p的状态，如果node节点应该阻塞就返回true // 如果返回false，则自旋一次。 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 当前线程阻塞，在阻塞被唤醒时，判断是否被中断 parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) // 如果加锁成功，则取消获取锁 cancelAcquire(node); }}复制代码private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) // ws == -1 /* * 这个节点已经设置了请求释放的状态，所以它可以在这里安全park. */ return true; if (ws > 0) { /* * 前置节点被取消了，跳过前置节点重试 */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /* * 将前置节点的状态设置为请求释放 */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false;}复制代码在整个加锁过程可以通过下图更清晰的理解。
独占锁解锁过程
public void unlock() { sync.release(1);}复制代码同样解锁时也是直接调用AQS子类sync的release方法。
public final boolean release(int arg) { // 尝试解锁 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; // 解锁成功，如果head!=null并且head.ws不等0，代表有其他线程排队 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 唤醒后续等待的节点 unparkSuccessor(h); return true; } return false;}复制代码解锁过程如下：
- 先尝试解锁，解锁失败则直接返回false。(理论上不会解锁失败，因为正在执行解锁的线程一定是持有锁的线程)
- 解锁成功之后，如果有head节点并且状态不是0，代表有线程被阻塞等待，则唤醒下一个等待的线程。
protected final boolean tryRelease(int releases) { // state - 1 int c = getState() - releases; // 如果当前线程不是独占AQS的线程，但是这时候又来解锁，这种情况肯定是非法的。 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { // 如果状态归零，代表锁释放了，将独占线程设置为null free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } // 将减1之后的状态设置为state setState(c); return free;}复制代码private void unparkSuccessor(Node node) { /* * 如果节点的ws小于0，将ws设置为0 */ int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); /* * 从等待队列的尾部往前找，直到第二个节点，ws<=0的节点。 */ Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } // 如果存在符合条件的节点，unpark唤醒这个节点的线程。 if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread);}复制代码共享锁加锁过程
为了实现共享锁，AQS中专门有一套和排他锁不同的实现，我们来看一下源码具体是怎么做的。
public void lock() { sync.acquireShared(1);}复制代码public final void acquireShared(int arg) { // tryAcquireShared 尝试获取共享锁许可，如果返回负数标识获取失败 // 返回0表示成功，但是已经没有多余的许可可用，后续不能再成功，返回正数表示后续请求也可以成功 if (tryAcquireShared(arg) < 0) // 申请失败，则加入到共享等待队列 doAcquireShared(arg);}复制代码tryAcquireShared尝试获取共享许可，本方法需要在子类中进行实现。不同的实现类实现方式不一样。
下面的代码是ReentrentReadWriteLock中的实现。
protected final int tryAcquireShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // 当前有独占线程正在持有许可，并且独占线程不是当前线程，则返回失败（-1） if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 没有独占线程，或者独占线程是当前线程。 // 获取已使用读锁的个数 int r = sharedCount(c); // 判断当前读锁是否应该阻塞 if (!readerShouldBlock() && // 已使用读锁小于最大数量 r < MAX_COUNT && // CAS设置state，每次加SHARED_UNIT标识共享锁+1 compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { if (r == 0) { // 标识第一次加读锁 firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { // 重入加读锁 firstReaderHoldCount++; } else { // 并发加读锁，记录当前线程的读的次数，HoldCounter中是一个ThreadLocal。 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; } return 1; } // 否则自旋尝试获取共享锁 return fullTryAcquireShared(current);}复制代码本方法可以总结为三步：
- 如果有写线程独占，则失败，返回-1
- 没有写线程或者当前线程就是写线程重入，则判断是否读线程阻塞，如果不用阻塞则CAS将已使用读锁个数+1
- 如果第2步失败，失败原因可能是读线程应该阻塞，或者读锁达到上限，或者CAS失败，则调用fullTryAcquireShared方法。
private void doAcquireShared(int arg) { // 加入同步等待队列，指定是SHARED类型 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { // 取到当前节点的前一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 如果前一个节点是头节点，则当前节点是第二个节点。 if (p == head) { // 因为是FIFO队列,所以当前节点这时可以再尝试获取一次。 int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { // 获取成功，把当前节点设置为头节点。并且判断是否需要唤醒后面的等待节点。 // 如果条件允许，就会唤醒后面的节点 setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC if (interrupted) selfInterrupt(); failed = false; return; } } // 如果前置节点不是头结点，说明当前节点线程需要阻塞等待，并告知前一个节点唤醒 // 检查并更新前置节点p的状态，如果node节点应该阻塞就返回true // 当前线程被唤醒之后，会从parkAndCheckInterrupt()执行 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); }}复制代码共享锁释放过程
public void unlock() { sync.releaseShared(1);}public final boolean releaseShared(int arg) { //tryReleaseShared()尝试释放许可，这个方法在AQS中默认抛出一个异常，需要在子类中实现 if (tryReleaseShared(arg)) { // 唤醒线程，设置传播状态 WS doReleaseShared(); return true; } return false;}复制代码AQS是很多并发场景下同步控制的基石，其中的实现相对要复杂很多，还需要多看多琢磨才能完全理解。本文也是和大家做一个初探，给大家展示了核心的代码逻辑，希望能有所帮助。
好的，本期内容就到这里，我们下期见。
