一、概述

談到并發(fā)，不得不談ReentrantLock；而談到ReentrantLock，不得不談AbstractQueuedSynchronizer（AQS）！

類如其名，抽象的隊列式的同步器，AQS定義了一套多線程訪問共享資源的同步器框架，許多同步類實現(xiàn)都依賴于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。

二、框架

它維護(hù)了一個volatile int state（代表共享資源）和一個FIFO線程等待隊列（多線程爭用資源被阻塞時會進(jìn)入此隊列）。這里volatile是核心關(guān)鍵詞，具體volatile的語義，在此不述。

state的訪問方式有三種:

• getState()
• setState()
• compareAndSetState()

AQS定義兩種資源共享方式：Exclusive（獨占，只有一個線程能執(zhí)行，如ReentrantLock）和Share（共享，多個線程可同時執(zhí)行，如Semaphore/CountDownLatch）。

不同的自定義同步器爭用共享資源的方式也不同。

自定義同步器在實現(xiàn)時只需要實現(xiàn)共享資源state的獲取與釋放方式即可，至于具體線程等待隊列的維護(hù)（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等），AQS已經(jīng)在頂層實現(xiàn)好了。

自定義同步器實現(xiàn)時主要實現(xiàn)以下幾種方法：

• isHeldExclusively()：該線程是否正在獨占資源。只有用到condition才需要去實現(xiàn)它。
• tryAcquire(int)：獨占方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
• tryRelease(int)：獨占方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
• tryAcquireShared(int)：共享方式。嘗試獲取資源。負(fù)數(shù)表示失??；0表示成功，但沒有剩余可用資源；正數(shù)表示成功，且有剩余資源。
• tryReleaseShared(int)：共享方式。嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續(xù)等待結(jié)點返回true，否則返回false。

以ReentrantLock為例，state初始化為0，表示未鎖定狀態(tài)。A線程lock()時，會調(diào)用tryAcquire()獨占該鎖并將state+1。此后，其他線程再tryAcquire()時就會失敗，直到A線程unlock()到state=0（即釋放鎖）為止，其它線程才有機會獲取該鎖。當(dāng)然，釋放鎖之前，A線程自己是可以重復(fù)獲取此鎖的（state會累加），這就是可重入的概念。但要注意，獲取多少次就要釋放多么次，這樣才能保證state是能回到零態(tài)的。

再以CountDownLatch以例，任務(wù)分為N個子線程去執(zhí)行，state也初始化為N（注意N要與線程個數(shù)一致）。這N個子線程是并行執(zhí)行的，每個子線程執(zhí)行完后countDown()一次，state會CAS減1。等到所有子線程都執(zhí)行完后(即state=0)，會unpark()主調(diào)用線程，然后主調(diào)用線程就會從await()函數(shù)返回，繼續(xù)后余動作。

一般來說，自定義同步器要么是獨占方法，要么是共享方式，他們也只需實現(xiàn)tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一種即可。但AQS也支持自定義同步器同時實現(xiàn)獨占和共享兩種方式，如ReentrantReadWriteLock。

三、源碼詳解

本節(jié)開始講解AQS的源碼實現(xiàn)。依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序來。

3.0 結(jié)點狀態(tài)waitStatus

      這里我們說下Node。Node結(jié)點是對每一個等待獲取資源的線程的封裝，其包含了需要同步的線程本身及其等待狀態(tài)，如是否被阻塞、是否等待喚醒、是否已經(jīng)被取消等。變量waitStatus則表示當(dāng)前Node結(jié)點的等待狀態(tài)，共有5種取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE、0。

• CANCELLED(1)：表示當(dāng)前結(jié)點已取消調(diào)度。當(dāng)timeout或被中斷（響應(yīng)中斷的情況下），會觸發(fā)變更為此狀態(tài)，進(jìn)入該狀態(tài)后的結(jié)點將不會再變化。
• SIGNAL(-1)：表示后繼結(jié)點在等待當(dāng)前結(jié)點喚醒。后繼結(jié)點入隊時，會將前繼結(jié)點的狀態(tài)更新為SIGNAL。
• CONDITION(-2)：表示結(jié)點等待在Condition上，當(dāng)其他線程調(diào)用了Condition的signal()方法后，CONDITION狀態(tài)的結(jié)點將從等待隊列轉(zhuǎn)移到同步隊列中，等待獲取同步鎖。
• PROPAGATE(-3)：共享模式下，前繼結(jié)點不僅會喚醒其后繼結(jié)點，同時也可能會喚醒后繼的后繼結(jié)點。
• 0：新結(jié)點入隊時的默認(rèn)狀態(tài)。

注意，負(fù)值表示結(jié)點處于有效等待狀態(tài)，而正值表示結(jié)點已被取消。所以源碼中很多地方用>0、<0來判斷結(jié)點的狀態(tài)是否正常。

3.1 acquire(int)

此方法是獨占模式下線程獲取共享資源的頂層入口。如果獲取到資源，線程直接返回，否則進(jìn)入等待隊列，直到獲取到資源為止，且整個過程忽略中斷的影響。這也正是lock()的語義，當(dāng)然不僅僅只限于lock()。獲取到資源后，線程就可以去執(zhí)行其臨界區(qū)代碼了。下面是acquire()的源碼：

 public final void acquire(int arg) {
     if (!tryAcquire(arg) &&
         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
         selfInterrupt();
 }

函數(shù)流程如下：

1. tryAcquire()嘗試直接去獲取資源，如果成功則直接返回（這里體現(xiàn)了非公平鎖，每個線程獲取鎖時會嘗試直接搶占加塞一次，而CLH隊列中可能還有別的線程在等待）；
2. addWaiter()將該線程加入等待隊列的尾部，并標(biāo)記為獨占模式；
3. acquireQueued()使線程阻塞在等待隊列中獲取資源，一直獲取到資源后才返回。如果在整個等待過程中被中斷過，則返回true，否則返回false。
4. 如果線程在等待過程中被中斷過，它是不響應(yīng)的。只是獲取資源后才再進(jìn)行自我中斷selfInterrupt()，將中斷補上。

這時單憑這4個抽象的函數(shù)來看流程還有點朦朧，不要緊，看完接下來的分析后，你就會明白了。就像《大話西游》里唐僧說的：等你明白了舍生取義的道理，你自然會回來和我唱這首歌的。

3.1.1 tryAcquire(int)

此方法嘗試去獲取獨占資源。如果獲取成功，則直接返回true，否則直接返回false。這也正是tryLock()的語義，還是那句話，當(dāng)然不僅僅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源碼：

     protected boolean tryAcquire(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
     }

什么？直接throw異常？說好的功能呢？好吧，還記得概述里講的AQS只是一個框架，具體資源的獲取/釋放方式交由自定義同步器去實現(xiàn)嗎？就是這里了?。?！AQS這里只定義了一個接口，具體資源的獲取交由自定義同步器去實現(xiàn)了（通過state的get/set/CAS）?。?！至于能不能重入，能不能加塞，那就看具體的自定義同步器怎么去設(shè)計了?。?！當(dāng)然，自定義同步器在進(jìn)行資源訪問時要考慮線程安全的影響。

這里之所以沒有定義成abstract，是因為獨占模式下只用實現(xiàn)tryAcquire-tryRelease，而共享模式下只用實現(xiàn)tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定義成abstract，那么每個模式也要去實現(xiàn)另一模式下的接口。說到底，Doug Lea還是站在咱們開發(fā)者的角度，盡量減少不必要的工作量。

3.1.2 addWaiter(Node)

此方法用于將當(dāng)前線程加入到等待隊列的隊尾，并返回當(dāng)前線程所在的結(jié)點。還是上源碼吧：

  private Node addWaiter(Node mode) {
      //以給定模式構(gòu)造結(jié)點。mode有兩種：EXCLUSIVE（獨占）和SHARED（共享）
      Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
      //嘗試快速方式直接放到隊尾。
      Node pred = tail;
      if (pred != null) {
          node.prev = pred;
          if (compareAndSetTail(pred, node)) {
             pred.next = node;
             return node;
         }
     }
     //上一步失敗則通過enq入隊。
     enq(node);
     return node;
 }

 不用再說了，直接看注釋吧。

enq(Node)

 此方法用于將node加入隊尾。源碼如下：

  private Node enq(final Node node) {
      //CAS"自旋"，直到成功加入隊尾
      for (;;) {
          Node t = tail;
          if (t == null) { // 隊列為空，創(chuàng)建一個空的標(biāo)志結(jié)點作為head結(jié)點，并將tail也指向它。
              if (compareAndSetHead(new Node()))
                  tail = head;
          } else {//正常流程，放入隊尾
              node.prev = t;
             if (compareAndSetTail(t, node)) {
                 t.next = node;
                 return t;
             }
         }
     }
 }

如果你看過AtomicInteger.getAndIncrement()函數(shù)源碼，那么相信你一眼便看出這段代碼的精華。CAS自旋volatile變量，是一種很經(jīng)典的用法。還不太了解的，自己去百度一下吧。

3.1.3 acquireQueued(Node, int)

OK，通過tryAcquire()和addWaiter()，該線程獲取資源失敗，已經(jīng)被放入等待隊列尾部了。

聰明的你立刻應(yīng)該能想到該線程下一部該干什么了吧：進(jìn)入等待狀態(tài)休息，直到其他線程徹底釋放資源后喚醒自己，自己再拿到資源，然后就可以去干自己想干的事了。

沒錯，就是這樣！是不是跟醫(yī)院排隊拿號有點相似~~acquireQueued()就是干這件事：在等待隊列中排隊拿號（中間沒其它事干可以休息），直到拿到號后再返回。

這個函數(shù)非常關(guān)鍵，還是上源碼吧：

  final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
      boolean failed = true;//標(biāo)記是否成功拿到資源
      try {
          boolean interrupted = false;//標(biāo)記等待過程中是否被中斷過
          //又是一個“自旋”！
          for (;;) {
              final Node p = node.predecessor();//拿到前驅(qū)
              //如果前驅(qū)是head，即該結(jié)點已成老二，那么便有資格去嘗試獲取資源（可能是老大釋放完資源喚醒自己的，當(dāng)然也可能被interrupt了）。
             if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                 setHead(node);//拿到資源后，將head指向該結(jié)點。所以head所指的標(biāo)桿結(jié)點，就是當(dāng)前獲取到資源的那個結(jié)點或null。
                 p.next = null; // setHead中node.prev已置為null，此處再將head.next置為null，就是為了方便GC回收以前的head結(jié)點。也就意味著之前拿完資源的結(jié)點出隊了！
                 failed = false; // 成功獲取資源
                 return interrupted;//返回等待過程中是否被中斷過
             }
             //如果自己可以休息了，就通過park()進(jìn)入waiting狀態(tài)，直到被unpark()。如果不可中斷的情況下被中斷了，那么會從park()中醒過來，發(fā)現(xiàn)拿不到資源，從而繼續(xù)進(jìn)入park()等待。
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                 parkAndCheckInterrupt())
                 interrupted = true;//如果等待過程中被中斷過，哪怕只有那么一次，就將interrupted標(biāo)記為true
         }
     } finally {
         if (failed) // 如果等待過程中沒有成功獲取資源（如timeout，或者可中斷的情況下被中斷了），那么取消結(jié)點在隊列中的等待。
             cancelAcquire(node);
     }
 }

到這里了，我們先不急著總結(jié)acquireQueued()的函數(shù)流程，先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具體干些什么。

shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

此方法主要用于檢查狀態(tài)，看看自己是否真的可以去休息了，萬一隊列前邊的線程都放棄了只是瞎站著，那也說不定，對吧！

  private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
      int ws = pred.waitStatus;//拿到前驅(qū)的狀態(tài)
      if (ws == Node.SIGNAL)
          //如果已經(jīng)告訴前驅(qū)拿完號后通知自己一下，那就可以安心休息了
          return true;
      if (ws > 0) {
          /*
           * 如果前驅(qū)放棄了，那就一直往前找，直到找到最近一個正常等待的狀態(tài)，并排在它的后邊。
           * 注意：那些放棄的結(jié)點，由于被自己“加塞”到它們前邊，它們相當(dāng)于形成一個無引用鏈，稍后就會被保安大叔趕走了(GC回收)！
          */
         do {
             node.prev = pred = pred.prev;
         } while (pred.waitStatus > 0);
         pred.next = node;
     } else {
          //如果前驅(qū)正常，那就把前驅(qū)的狀態(tài)設(shè)置成SIGNAL，告訴它拿完號后通知自己一下。有可能失敗，人家說不定剛剛釋放完呢！
         compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
     }
     return false;
 }

整個流程中，如果前驅(qū)結(jié)點的狀態(tài)不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找個安心的休息點，同時可以再嘗試下看有沒有機會輪到自己拿號。

parkAndCheckInterrupt()

如果線程找好安全休息點后，那就可以安心去休息了。此方法就是讓線程去休息，真正進(jìn)入等待狀態(tài)。

 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
     LockSupport.park(this);//調(diào)用park()使線程進(jìn)入waiting狀態(tài)
     return Thread.interrupted();//如果被喚醒，查看自己是不是被中斷的。
 }

 park()會讓當(dāng)前線程進(jìn)入waiting狀態(tài)。在此狀態(tài)下，有兩種途徑可以喚醒該線程：

1）被unpark()；

2）被interrupt()。

需要注意的是，Thread.interrupted()會清除當(dāng)前線程的中斷標(biāo)記位。 

OK，看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，現(xiàn)在讓我們再回到acquireQueued()，總結(jié)下該函數(shù)的具體流程：

1. 結(jié)點進(jìn)入隊尾后，檢查狀態(tài)，找到安全休息點；
2. 調(diào)用park()進(jìn)入waiting狀態(tài)，等待unpark()或interrupt()喚醒自己；
3. 被喚醒后，看自己是不是有資格能拿到號。如果拿到，head指向當(dāng)前結(jié)點，并返回從入隊到拿到號的整個過程中是否被中斷過；如果沒拿到，繼續(xù)流程1。

3.1.4 小結(jié)

OKOK，acquireQueued()分析完之后，我們接下來再回到acquire()！再貼上它的源碼吧：

 public final void acquire(int arg) {
     if (!tryAcquire(arg) &&
         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
         selfInterrupt();
 }

再來總結(jié)下它的流程吧：

1. 調(diào)用自定義同步器的tryAcquire()嘗試直接去獲取資源，如果成功則直接返回；
2. 沒成功，則addWaiter()將該線程加入等待隊列的尾部，并標(biāo)記為獨占模式；
3. acquireQueued()使線程在等待隊列中休息，有機會時（輪到自己，會被unpark()）會去嘗試獲取資源。獲取到資源后才返回。如果在整個等待過程中被中斷過，則返回true，否則返回false。
4. 如果線程在等待過程中被中斷過，它是不響應(yīng)的。只是獲取資源后才再進(jìn)行自我中斷selfInterrupt()，將中斷補上。

由于此函數(shù)是重中之重，我再用流程圖總結(jié)一下：

至此，acquire()的流程終于算是告一段落了。這也就是ReentrantLock.lock()的流程，不信你去看其lock()源碼吧，整個函數(shù)就是一條acquire(1)！?。?/p>

3.2 release(int)

 上一小節(jié)已經(jīng)把acquire()說完了，這一小節(jié)就來講講它的反操作release()吧。此方法是獨占模式下線程釋放共享資源的頂層入口。它會釋放指定量的資源，如果徹底釋放了（即state=0）,它會喚醒等待隊列里的其他線程來獲取資源。這也正是unlock()的語義，當(dāng)然不僅僅只限于unlock()。下面是release()的源碼：

 public final boolean release(int arg) {
     if (tryRelease(arg)) {
         Node h = head;//找到頭結(jié)點
         if (h != null && h.waitStatus != 0)
             unparkSuccessor(h);//喚醒等待隊列里的下一個線程
         return true;
     }
     return false;
 }

邏輯并不復(fù)雜。它調(diào)用tryRelease()來釋放資源。有一點需要注意的是，它是根據(jù)tryRelease()的返回值來判斷該線程是否已經(jīng)完成釋放掉資源了！所以自定義同步器在設(shè)計tryRelease()的時候要明確這一點?。?/strong>

 protected boolean tryRelease(int arg) {
     throw new UnsupportedOperationException();
 }

  private void unparkSuccessor(Node node) {
      //這里，node一般為當(dāng)前線程所在的結(jié)點。
      int ws = node.waitStatus;
      if (ws < 0)//置零當(dāng)前線程所在的結(jié)點狀態(tài)，允許失敗。
          compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
      Node s = node.next;//找到下一個需要喚醒的結(jié)點s
      if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果為空或已取消
          s = null;
         for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 從后向前找。
             if (t.waitStatus <= 0)//從這里可以看出，<=0的結(jié)點，都是還有效的結(jié)點。
                 s = t;
     }
     if (s != null)
         LockSupport.unpark(s.thread);//喚醒
 }

 public final void acquireShared(int arg) {
     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
         doAcquireShared(arg);
 }

  private void doAcquireShared(int arg) {
      final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入隊列尾部
      boolean failed = true;//是否成功標(biāo)志
      try {
          boolean interrupted = false;//等待過程中是否被中斷過的標(biāo)志
          for (;;) {
              final Node p = node.predecessor();//前驅(qū)
              if (p == head) {//如果到head的下一個，因為head是拿到資源的線程，此時node被喚醒，很可能是head用完資源來喚醒自己的
                  int r = tryAcquireShared(arg);//嘗試獲取資源
                 if (r >= 0) {//成功
                     setHeadAndPropagate(node, r);//將head指向自己，還有剩余資源可以再喚醒之后的線程
                     p.next = null; // help GC
                     if (interrupted)//如果等待過程中被打斷過，此時將中斷補上。
                         selfInterrupt();
                     failed = false;
                     return;
                 }
             }
             //判斷狀態(tài)，尋找安全點，進(jìn)入waiting狀態(tài)，等著被unpark()或interrupt()
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                 parkAndCheckInterrupt())
                 interrupted = true;
         }
     } finally {
         if (failed)
             cancelAcquire(node);
     }
 }

  private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
      Node h = head; 
      setHead(node);//head指向自己
       //如果還有剩余量，繼續(xù)喚醒下一個鄰居線程
      if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
          Node s = node.next;
          if (s == null || s.isShared())
              doReleaseShared();
      }
 }

 public final boolean releaseShared(int arg) {
     if (tryReleaseShared(arg)) {//嘗試釋放資源
         doReleaseShared();//喚醒后繼結(jié)點
         return true;
     }
     return false;
 }

  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;
                  unparkSuccessor(h);//喚醒后繼
             }
             else if (ws == 0 &&
                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                 continue;
         }
         if (h == head)// head發(fā)生變化
             break;
     }
 }

  class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
      // 自定義同步器
      private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
          // 判斷是否鎖定狀態(tài)
          protected boolean isHeldExclusively() {
              return getState() == 1;
          }
          // 嘗試獲取資源，立即返回。成功則返回true，否則false。
         public boolean tryAcquire(int acquires) {
             assert acquires == 1; // 這里限定只能為1個量
             if (compareAndSetState(0, 1)) {//state為0才設(shè)置為1，不可重入！
                 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//設(shè)置為當(dāng)前線程獨占資源
                 return true;
            }
             return false;
         }
         // 嘗試釋放資源，立即返回。成功則為true，否則false。
         protected boolean tryRelease(int releases) {
             assert releases == 1; // 限定為1個量
             if (getState() == 0)//既然來釋放，那肯定就是已占有狀態(tài)了。只是為了保險，多層判斷！
                 throw new IllegalMonitorStateException();
             setExclusiveOwnerThread(null);
             setState(0);//釋放資源，放棄占有狀態(tài)
             return true;
         }
     }
     // 真正同步類的實現(xiàn)都依賴?yán)^承于AQS的自定義同步器！
     private final Sync sync = new Sync();
     //lock<-->acquire。兩者語義一樣：獲取資源，即便等待，直到成功才返回。
     public void lock() {
         sync.acquire(1);
     }
     //tryLock<-->tryAcquire。兩者語義一樣：嘗試獲取資源，要求立即返回。成功則為true，失敗則為false。
     public boolean tryLock() {
         return sync.tryAcquire(1);
     }
     //unlock<-->release。兩者語文一樣：釋放資源。
     public void unlock() {
         sync.release(1);
     }
     //鎖是否占有狀態(tài)
     public boolean isLocked() {
         return sync.isHeldExclusively();
     }
 }