在并发编程中，ReentrantLock作为一个非常重要同步组件，通过AQS同步器，可以构建锁或其他同步组件。
本文将以ReentrantLock源码，分析AQS工作原理。
一、简介
AQS(AbstractQueuedSynchronizer)使用一个int成员变量state表示同步状态（state为0，表示当前资源没有被占用，state>0，表示当前资源已经被占用），结合内置的一个同步队列(FIFO)完成资源获取线程的等待排队工作，如果当前线程没有获取到锁，则将线程封装成一个Node节点，加入到同步队列，等待唤醒，通过自旋的方式尝试获得锁。
Node节点组成
- waitStatus：等待状态
- Node prev：前驱节点
- Node next：后继节点
- Thread thread：获取同步状态的线程
- Node nextWaiter：等待队列中的后继节点
Node节点状态：waitStatus
- INITIAL=0：初始状态
- SIGNAL=-1：后继节点的线程处于等待状态，当前节点如果释放了同步状态，将通知后继节点
- CONDITION=-2：节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，当其他线程对Condition调用了signal方法后，该节点将从等待队列转移到同步队列中，加入到对同步状态的获取中
- PROPAGATE=-3：表示下一次共享式同步状态获取将会无条件的被传播下去
- CANNELED=1：在同步队列中等待的线程等待超时或被中断，需要从同步队列中取消等待，节点进入该状态将不会变化
二、源码分析
2.1 加锁
首先从ReentrantLock的lock方法开始
public void lock() {
sync.lock();
}
可以发现ReentrantLock实际调用的sync对象的lock方法，sync对象是ReentrantLock内部的一个静态内部类
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// ...
}
sync类有两个是实现：FairSync、NonfairSync，分别对应公平锁和非公平锁。
先从非公平锁的角度分析源码，下文用sync代替非公平锁NonfairSync
final void lock() {
// 尝试通过CAS获取锁
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
sync类的lock方法先尝试通过CAS修改state的状态位1，如果修改成功，表示当前线程获取到锁。否则调用acquire方法尝试加锁。
// AQS实现的方法，子类不可重写
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
acquire方法内部再次尝试通过tryAcquire获取锁
// tryAcquire需要子类实现，找到NonfairSync的实现
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 当前没有锁，通过CAS尝试加锁
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 获得到锁的线程是当前线程(可重入)
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
从这个方法可以看出，如果当前线程已经拥有锁，则将状态+acquires（获取锁的次数，需要释放相同的次数，可重入）直接返回加锁成功。如果没有获取到锁，则返回false
回到acquire方法，假设tryAcquire没有加锁成功，继续跟踪addWaiter，通过方法名称可以猜出来，这个方法是将当前线程封装成一个Node
// 同步队列头指针，默认为null
private transient volatile Node head;
// 同步队列尾指针，默认为null
private transient volatile Node tail;
// mode=Node.EXCLUSIVE（独占式）
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
首先将当前线程封装成一个Node对象，如果当前队列是空的情况下，head和tail默认是都null，if (pred != null) 条件不成立，继续跟踪enq方法
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;
}
}
}
}
第一次循环，t为null，if (t == null) 条件成立，通过CAS设置head节点为一个空的Node节点(哨兵节点)，然后让tail和head同时指向哨兵节点
哨兵节点表示当前已经获得锁，正在执行业务逻辑的线程
第二次循环，t不为null（t指向哨兵节点），node(当前线程封装的对象)的前驱指针指向t，即第一次循环创建的哨兵节点，通过CAS让tail指向node节点，然后将哨兵节点的后继指针指向node节点，结束循环
通过自旋的方式初始化了哨兵节点，并且将当前线程Node节点添加到同步队列中，假设此时有多个线程抢占锁，最后都会进入同步队列等待
继续跟踪acquireQueued方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
首先获取当前线程Node节点的前驱节点p，判断前驱节点p是否是头节点。通过上面的分析可知，p是头结点，然后通过通过tryAcquire方法尝试获取锁。
- 如果加锁成功，则将当前节点设置为头结点，并将之前创建的哨兵节点的next指针指向null，即断开哨兵节点与当前线程Node节点之间的关联，此时当前线程已经获取到锁。
- 如果加锁失败，则调用shouldParkAfterFailedAcquire方法
// pred=头结点(哨兵节点)，node=头结点的后继节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
头结点当前等待状态是初始状态，所以进入else代码块，设置头结点状态为SIGNAL(-1)，继续进行下一次循环。
假设下一次循环依旧没有加锁成功，再次进入shouldParkAfterFailedAcquire方法，当前头结点状态已经变成SIGNAL，返回true，继续调用parkAndCheckInterrupt方法
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
可以看出，当前线程被阻塞，进入等待状态。
至此已经完成了线程加锁失败，进入同步队列排队等待源码分析，下面继续看等待线程如何被唤醒。
2.2 释放锁
排队线程的唤醒必须要由其他线程释放锁触发，所以我们继续跟踪ReentrantLock的unlock方法
// ReentrantLock方法
public void unlock() {
sync.release(1);
}
// ReentrantLock.Sync方法
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
ReentrantLock通过Sync的release方法释放锁，release调用了tryRelease方法，跟踪tryRelease方法源码
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
判断当前线程是否是锁的独占线程，如果不是，抛出异常。所以我们使用ReentrantLock的时候，必须要加锁成功，才能执行unlock方法。
如果state-releases的结果等于0，说明已经释放锁成功，清空当前锁的独占线程，重置状态为0。
这里必须要注意，我们加锁几次，就要释放几次。
继续回到Sync.release方法，释放成功之后，如果头节点h不等于空，并且头结点h的等待状态不是0，调用unparkSuccessor方法(通过上面的分析可知，头结点的状态是-1，表示头结点的后继节点处于等待状态)
// node=头结点h
private void unparkSuccessor(Node node) {
// node=head
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// s=Node A
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
// 线程A等待超时或者被其他线程中断，waitStatus > 0，这时候需要唤醒线程B
s = null;
// tail=Node B
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
头结点h的状态等于SIGNAL(-1)，CAS设置头结点状态为0，节点s(指向线程A对应的Node节点)不等于空，并且节点s的状态为初始状态（0），不会进入if条件，通过LockSupport.unpark唤醒线程A
如果线程A等待超时或者被中断的情况
如果节点s的状态大于0(即线程A等待超时或者被中断)，执行for循环，此时tail指向线程B对应的Node节点。
- 第一次循环，t=tail，t指向Node B，并判断Node B的等待状态，Node B是初始状态（0），t赋值给s，s指向Node B
- 第二次循环，t=Node A（t = t.prev），Node A由于等待超时或者被中断，所以等待状态waitStatus等于1，if (t.waitStatus <= 0)不成立
- 第三次循环，t=head（t = t.prev），for循环条件不成立，结束循环
至此，s指向Node B，继续往下执行，通过LockSupport.unpark唤醒线程B。
2.3 公平锁与非公平锁
ReentrantLock通过构造方法可以指定锁的类型，即非公平锁与公平锁，默认是非公平锁。
什么是非公平锁与公平锁呢？
- 非公平锁：线程获得锁的顺序与加锁顺序无关，性能更好，但是可能会导致线程“饥饿”，即线程一直无法获得锁
- 公平锁：先尝试加锁的线程会优先获得到锁，可以避免线程“饥饿”的情况
上面已经完成了非公平锁的源码分析，接下来继续跟踪源码看如何实现公平锁。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
在ReentrantLock类内部有三个内部类，Sync、NonfairSync、FairSync。Sync是一个抽象类，NonfairSync和FairSync均继承了Sync类，分别对应非公平锁与公平锁的实现。
接下来看看非公平锁与公平锁的lock方法差异
NonfairSync
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
FairSync
final void lock() {
acquire(1);
}
可以看出，非公平锁调用lock方法的时候，会先尝试通过CAS修改同步状态，如果当前锁空闲，当前线程直接可以获得到锁。而公平锁直接调用acquire方法。如果当前锁已被占用，那么非公平锁和公平锁都会调用acquire方法。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
tryAcquire需要AQS子类实现，继续跟踪NonfairSync和FairSync的实现
NonfairSync
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
FairSync
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
可以看出，非公平锁再次尝试加锁，而对于公平锁来说，会先调用hasQueuedPredecessors检查队列中是否存在等待线程
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
如果同步队列中已经存在等待线程，则不会尝试加锁，返回false，回到acquire方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
tryAcquire获得锁失败，则将当前线程封装成Node对象添加到同步队列尾部。
由此可见，公平锁是按照进入同步队列的顺序获得锁，而非公平锁并不按照入队顺序，哨兵节点的下一个节点被唤醒时，可能同时存在其他线程与当前线程共同抢占锁，即同步队列中的排队线程被唤醒时，还是需要与其他未进入队列的线程竞争。