概述
当我们提到 juc 包下的锁，就不得不联系到 AbstractQueuedSynchronizer 这个类，这个类就是大名鼎鼎的 AQS，AQS 按字面意思翻译为抽象队列同步器，调用者可以通过继承该类快速的实现同步多线程下的同步容器。不管是我们熟悉的 ReadWriteLock 亦或是 ReentrantLock，或者 CountDownLatch 与 Semaphore，甚至是线程池类 ThreadPoolExecutor 都继承了 AQS。
在本文，将深入源码，了解 AQS 的运行机制，了解通过 AQS 实现非公平锁，公平锁，可重入锁等的原理。
一、AQS 中的数据结构
AQS 的底层数据结构其实是一条双向链表以及一个代表锁状态的变量 state。当加锁后，state会改变，而竞争锁的线程会被封装到节点中形成链表，并且尝试改变 state以获取锁。
1.等待队列
在 AQS 中有一个 Node 内部类，该类即为链表的节点类。当通过 AQS 竞争锁的时候，线程会被封装到一个对应的节点中，多个竞争不到锁的线程最终会连成一条链表，这条链表上节点代表的线程处于等待状态，因此我们称之为等待队列，也就是 CLH。
节点类中封装了竞争锁的线程的等待状态：
- CANCELLED：1，表示当前结点已取消等待。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。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：新节点入队时的默认状态。
和线程池中的状态一样，Node 只有小于 0 的时候才处于正常的等待状态中，因此很多地方通过判断是否小于 0 来确定节点是否处于等待状态。
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;
// 等待状态
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
// 等待线程
volatile Thread thread;
// 下一等待节点
Node nextWaiter;
}
2.锁状态
private volatile int state;
AQS 中提供了 state变量做为锁状态，一般来说，0 被视为无锁状态，1 被视为加锁状态，如果是可重入锁，就会大于 1。
因此，AQS 中的加锁解锁实际上就是通过 CAS 改变 state的过程，即下列三个方法：
protected final int getState() {
return state;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
二、AQS 独占锁的加锁过程
AQS 的同步过程其实就是同步队列节点中依次获取锁的过程。AQS 一共提供了独占和非独占两种获取资源的方法：
acquire()：以独占模式获取锁；release()：以独占模式释放锁；acquireShared()：以共享模式获取锁；releaseShared()：以共享模式释放锁；
1.独占锁
独占锁和非独占锁两者从流程上来说都差不多，只在一些实现上有区别。
独占锁，顾名思义，即只有占有锁的线程才能操作资源，在 synchronize 底层的锁中，独占通过锁对象对象头中的指针来声明独占的线程，而在 AQS 中则通过父类 AbstractOwnableSynchronizer 提供的 exclusiveOwnerThread 变量来声明独占的线程：
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
此外，AQS 并未提供其他具体实现。AQS 独占锁加锁的方法是 acquire()，其中涉及到 tryAcquire()方法是一个空实现，需要由子类实现并在在里面进行具体的独占判断：
public final void acquire(int arg) {
// 尝试获取锁
if (!tryAcquire(arg) &&
// 添加到等待队列
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 进入等待队列后阻塞
selfInterrupt();
}
里面还涉及到 addWaiter(),acquireQueued()和 selfInterrupt()四个方法。
2.获取锁资源
在 AQS 中，tryAccquire() 是一个未实现的方法：
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
他需要由具体的实现类去实现，并完成获取资源的功能。这里我们以用可重入锁 ReentrantLock 内为例（后文无声明亦同）。
在 ReentrantLock 中，锁分为公平锁和非公平锁两种，二者的区别在于公平锁中等待队列中的线程严格按顺序获取锁，非公平锁中的线程可能不会按顺序获取锁。ReentrantLock 有一个内部类 Sync 继承了 AQS，提供基本的加锁解锁方法。
然后分别有非公平锁 NonfairSync 类与公平锁类 FairSync 去继承 Sync，进一步区别公平锁与非公平的锁的实现逻辑。我们先看公平锁 FairSync 的tryAccquire()方法：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 如果当前等待队列中没有线程在等待
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 尝试CAS修改state
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 将当前锁设为自己独占
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 如果锁已经被自己获取过了，即重入
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// state + 1，即多获取一次锁
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 没有获取锁
return false;
}
而非公平锁与公平锁的tryAccquire()主要差别在于，公平锁会先看看有没有线程在等待，没有才去竞争锁，而非公平锁不会看有没有线程在等待，无论如何都会先去竞争一次锁。
其他锁的 tryAccquire()与 ReentrantLock 的大体相同。
3.添加节点至等待队列
addWaiter()方法用于创建并添加等待节点。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 以共享或者独占模式创建节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 尾插法插入节点
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 如果队列为空
enq(node);
return node;
}
这里涉及到一个 enq()方法，这个方法不复杂，主要是自旋初始化 AQS 中的头结点和尾节点，值得注意的是，这里的头结点实际上是一个哨兵节点，本身并无意义，当等待队列排队获取资源的时候，会直接从 head.next 开始。
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;
}
}
}
}
4.在等待队列中获取锁
这个方法主要做两件事：
- 如果当前节点已经是队列第二个结点了，并且获取锁成功，就设置当前节点为新头结点，然后执行完毕后设置为中断；
- 如果当前节点不是队列第二个节点，或者获取锁不成功，就挂起当前节点，等待上一节点的唤醒。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取当前节点的上一节点
final Node p = node.predecessor();
// 再次尝试获取锁，如果前驱节点已经是头节点了，或者获取资源成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 将当前节点设置为头结点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 前驱节点不是头结点或者获取锁失败
// 如果前驱节点需要被 park 挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 挂起当前线程
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
// 旧头结点已经处理完了，直接删除
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这里涉及到一个 shouldParkAfterFailedAcquire()方法：
这个方法主要是根据前驱节点的状态判断当前节点是否需要被 park 的。如果这个方法返回 true，那么说明前驱节点被设置为 SIGNAL 状态，然后进入 parkAndCheckInterrupt()方法把当前线程挂起，等待前驱节点的唤醒。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 如果前驱节点状态为SIGNAL
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 如果前驱节点已经失效
if (ws > 0) {
// 移除全部失效节点，直到前驱节点为正常等待状态的节点为止
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 将前驱节点设置为SIGNAL，确保不影响后续节点的唤醒
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
如果上述shouldParkAfterFailedAcquire()返回 ture，那么就会接着执行 parkAndCheckInterrupt()方法挂起线程：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
// 让当前线程等待，并中断任务
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
5.总结
当线程使用 acquire()方法获取锁的时候：
- 先执行
tryAcquire()方法，这是个需要由子类实现的空方法，公平或者非公平在这个方法中让线程去获取锁，获得锁的线程要修改state； - 然后失败的线程需要执行
addWaiter()方法，这个方法用于将线程封装到节点中，并以尾插法插入等待队列的链表，同时，如果等待队列没有初始化就会在此处先初始化； - 接着添加完成的节点执行
acquireQueued()方法，此时会再次试图获取锁，如果此时还是失败，就会判断当前节点的前驱节点是否失效，如果不是就直接将前驱节点状态改为 SIGNAL ，然后执行parkAndCheckInterrupt()方法挂起当前线程，如果是就一直找到一个正常等待的前驱节点为止，改前驱节点状态然后再挂起线程。
三、AQS 独占锁的释放过程
和 AQS 使用 acquire() 方法加锁的过程类似，AQS 也有一个 release()的解锁方法，他们同样需要实现类自己去实现 tryRelease()方法。
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放锁
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 如果当前头节点为空且不为初始状态
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
1.释放锁
和 tryAcquire()一样，AQS 不提供 tryRelease()的具体实现，而是交由子类去实现它。
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
我们依然以可重入锁 ReentrantLock 为例，去了解 ReentrantLock 中 tryRelease()的实现。
虽然 ReentrantLock 中有公平锁和非公平锁两种实现，但是他们是释放过程都是一样的，都通过他们的父类，即继承 AQS 的内部类 Sync 的 tryRelease()方法来实现释放的功能：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 可重入锁，减去一次持锁次数
int c = getState() - releases;
// 如果当前线程不是持有锁的线程则抛出异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 如果可重入次数为0，说明确实释放锁了
if (c == 0) {
free = true;
// 独占线程设置为null
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
这个地方也很好理解，就是让 tryRelease()去执行释放锁的过程，换句话说，就是改变 state。
2.唤醒等待队列的后继节点
unparkSuccessor()方法的主要用途是
- 在前驱节点（其实就是等待队列的头结点）释放锁后，去唤醒等待队列中的后继节点；
- 如果后继节点处于 CANCELLED 状态，说明该节点已经挂掉了，就从尾节点向前找到离后继节点最近的节点去唤醒，否则直接唤醒后继节点。
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 如果头节点状态还处于等待状态，则改回初始状态
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
// 如果后继节点存在并被标记为CANCELLED状态
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从尾节点开始，找到离node最近的处于等待状态的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 唤醒节点
LockSupport.unpark(s.thread);
}
3.总结
当线程使用 release()方法释放锁的时候：
- 先执行
tryRelease()方法释放资源，改变state以释放锁 - 再执行
unparkSuccessor()方法唤醒后继节点，如果后继节点挂了，就找到最近的下一个处于等待状态的有效节点唤醒。
四、AQS 共享锁的加锁释放过程
相对 AQS 独占锁，共享锁在 AQS 中以及提供好的相关的实现。共享锁通过 acquireShared()方法加锁，通过releaseShared()方法解锁。
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
1.获取锁资源
tryAcquireShared()也是一个空实现方法，需要由子类去实现。根据注释，我们不难理解它的作用：
- 检查是否支持共享锁，如果是才能获取锁；
- 根据后继等待节点的情况返回值：大于 0 说明有后继等待节点，执行完以后继续唤醒后继节点；等于 0 说明当前已是最后一个可以获取共享锁的节点，不再唤醒后继节点；小于 0 说明锁获取失败，需要进入等待队列。
其中，针对共享锁，比较具有代表性的是读写锁 ReentrantReadWriteLock，它通过 state的高 16 位记录读锁，低 16 位记录写锁，在获取锁资源的时候，如果检测存在写锁则无法获得锁，如果是读锁则获取资源并递增读锁计数器，这部分的逻辑就是在其子类中得到的实现。
2.唤醒后继节点
基于上面的 tryAcquireShared()方法，doAcquireShared()要做的事情显然很明了了：
- 如果后继节点可以以共享模式唤醒，就直接依次唤醒；
- 否则，则跟获取独占锁的流程一样，再次尝试获取资源无果后将后将节点代表的线程挂起。
private void doAcquireShared(int arg) {
// 创建共享模式的节点
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前驱节点已经是头结点，即当前节点需要获取锁
if (p == head) {
// 尝试获取共享锁
int r = tryAcquireShared(arg);
// 唤醒后继节点
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 判断当前线程是否需要被挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这里有一个 setHeadAndPropagate()方法，根据方法名可以猜出是用来设置头结点和唤醒后继共享节点的：
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
// 设置头结点
setHead(node);
// 如果后续有需要唤醒的节点，并且当前节点没有被CANCELLED
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
// 如果下一节点处于共享状态
if (s == null || s.isShared())
// 释放共享锁
doReleaseShared();
}
}
这里其实只做了一些条件判断，确保有后继节点并且后继节点是正常节点，核心逻辑其实是 doReleaseShared()方法：
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
// 唤醒节点
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
// 如果后续节点不需要唤醒，则设置为PROPAGATE避免影响后继节点的唤醒
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
3.解锁过程
解锁使用的releaseShared()方法：
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
这里的 tryReleaseShared()其实跟独占锁的tryRelease()类似，即改变状态以表示释放资源，而 doReleaseShared()即上文唤醒后继节点的方法。
4.总结
共享锁和独占锁的根本区别在于，当头是共享模式时，它被唤醒后会直接尝试唤醒后继所有共享模式的节点，直到遇到第一个非共享模式的节点为止，而不是跟独占锁一样只唤醒后继节点。
五、总结
AQS 在内部为此了一个变量 state，用于记录锁状态，线程通过 CAS 修改 state即是加锁解锁过程。
AQS 内存维护了一条双向链表，即等待队列 CLH，等待锁的线程被封装为 Node 节点连成链表，通过 LockSuppor 工具类的 park()和 unpark()方法切换等待状态。
AQS 提供了独占和非独占两种锁实现方式，分别提供了 acquire()/release()和acquireShared()/releaseShared()两套加锁解锁方式，同时，基于 state有衍生出可重入和非可重入锁的实现——即重入锁在state=1的情况下继续递增，解锁在 state上递减直到为 0 为止。并且，根据是否先判断等待队列中是否已存在等待线程，然后再尝试获取锁的情况，又分出了公平锁和非公平锁两种实现。