沒看過AQS源碼，別說精通Java并發編程
作者：一燈架構
AQS的源碼邏輯比較復雜，很多開發者看見就頭疼，邏輯眾多，無法梳理清楚。原因就是開發者梳理源碼的步驟出錯了，剛開始就看AQS的加鎖、釋放鎖邏輯，陷入細節中不能自拔。
前言
AQS 全稱 AbstractQueuedSynchronizer（抽象隊列同步器），旨在作為創建鎖和其他同步機制的基礎，常見的同步鎖 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier等都是基于 AQS 實現的。所以只有了解了AQS的實現原理，才能更好學習使用其他同步鎖。
AQS的源碼邏輯比較復雜，很多開發者看見就頭疼，邏輯眾多，無法梳理清楚。原因就是開發者梳理源碼的步驟出錯了，剛開始就看AQS的加鎖、釋放鎖邏輯，陷入細節中不能自拔。正確的做法是，先整體后局部，先框架后細節。下面就帶著大家一下分析AQS源碼，保證清晰易懂。
AQS加鎖流程
為什么一上來先看AQS的加鎖流程，先要理解AQS的框架設計，才能去看具體的源碼。
問個問題，如果讓你設計一個同步鎖，你會怎么設計？
肯定先要梳理一下需求，需求沒有梳理清楚，就別談開發了。
我理解的設計一個同步鎖，需要滿足以下需求：
- 當多個線程競爭同一個臨界資源的時候，只有一個線程可以獲取到臨界資源，其他線程只能等待。所以這里我們需要一個狀態state用來記錄臨界資源是否被加鎖和加鎖的次數，還需要記錄一下這個資源是被哪個線程持有，字段名叫做exclusiveOwnerThread。還需要一個隊列，用來存儲等待獲取資源的線程，這個隊列我們叫做同步隊列。
- 持有資源的線程可以主動掛起自己（調用await()方法），并且釋放鎖，然后等待被其他線程喚醒。所以這里需要一個隊列存儲需要被喚醒的線程，這個隊列我們叫做條件隊列。
- 在條件隊列中線程被喚醒后，并不能立即獲取到鎖，還需要跟同步隊列中線程一起競爭鎖。所以在條件隊列中被喚醒的線程，需要轉移到同步隊列。
至此，我們梳理清楚了AQS的加鎖需求，而實際上AQS的加鎖流程跟上面的需求完全一致，下面用一張圖來表示。
圖片
AQS的數據結構
看一下AQS內部的架構設計和包含的屬性。
// AQS繼承自AbstractOwnableSynchronizer，為了記錄哪個線程占用鎖
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
// 同步狀態，0表示無鎖，每次加鎖+1，釋放鎖-1
private volatile int state;
// 同步隊列的頭尾節點
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
// Node節點，用來包裝線程，放到隊列中
static final class Node {
// 節點中的線程
volatile Thread thread;
// 節點狀態
volatile int waitStatus;
// 同步隊列的前驅節點和后繼節點
volatile Node prev;
volatile Node next;
// 條件隊列的后繼節點或者同步隊列的共享/排他模式
Node nextWaiter;
}
// 條件隊列
public class ConditionObject implements Condition {
// 條件隊列的頭尾節點
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
}
}首先AQS繼承自AbstractOwnableSynchronizer，其實是為了記錄哪個線程正在占用鎖。
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer {
// 正在占用鎖的線程
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
// 設置占用鎖的線程
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
}無論是同步隊列還是條件隊列中線程都需要包裝成Node節點。
圖片
同步隊列：是帶有頭尾節點的雙鏈表，由Node節點組成，使用prev和next組成雙向鏈表，nextWaiter只用來表示是共享模式還是排他模式。條件隊列：是帶有頭尾節點的單鏈表。同樣由Node節點組成，沒有使用到Node中prev和next屬性，而是使用nextWaiter組成單鏈表。 這個復用對象的設計思想值得我們學習。 同步隊列head節點是個啞節點，里面并沒有存儲線程對象。當然head節點也可以看成是給當前持有鎖的線程使用的。 Node節點的節點狀態（waitStatus）共有5種：
- 1 cancelled：表示節點的線程已經被取消
- 0 初始化：Node節點的默認值
- -1 signal: 表示節點線程在釋放鎖后要喚醒同步隊列中的后繼節點
- -2 condition: 當前節點在條件隊列中
- -3 propagate: 釋放共享資源的時候會向后傳播釋放其他共享節點（用于共享模式）
節點狀態（waitStatus）流轉過程如下：
圖片
AQS方法概覽
AQS支持排他模式和共享模式兩種訪問資源的模式（排他模式又叫獨占模式）。 排他模式的方法：
// 加鎖
acquire(int arg);
// 加可中斷的鎖
acquireInterruptibly(int arg);
// 加鎖，帶超時時間（如果指定時間內加鎖不成功，就返回false）
tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 釋放鎖
release(int arg);共享模式的方法：
// 加鎖
acquireShared(int arg);
// 加可中斷的鎖
acquireSharedInterruptibly(int arg);
// 加鎖，帶超時時間（如果指定時間內加鎖不成功，就返回false）
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 釋放鎖
releaseShared(int arg);排他模式和共享模式的方法并沒有實現具體的加鎖、釋放鎖邏輯，AQS中只是定義了加鎖、釋放鎖的抽象方法。 留給子類實現的抽象方法：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
// 加排他鎖
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放排他鎖
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 加共享鎖
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放共享鎖
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 判斷是否是當前線程正在持有鎖
protected boolean isHeldExclusively() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}這里就用到了設計模式中的模板模式，父類AQS定義了加鎖、釋放鎖的流程，子類ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier負責實現具體的加鎖、釋放鎖邏輯。 這不是個面試知識點嗎？ 面試官再問你，你看過哪些框架源碼使用到了設計模式？ 你就可以回答AQS源碼中用到了模板模式，巴拉巴拉，妥妥的加分項！
條件隊列的方法
條件隊列中常用的方法如下：
// 等待方法，并釋放鎖
public final void await() throws InterruptedException {
……
}
// 等待指定時間
public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
……
}
// 喚醒條件隊列中的單個線程
public final void signal() {
……
}
// 喚醒條件隊列中的所有線程
public final void signalAll() {
……
}排它鎖
1. 加鎖
整個加鎖流程如下：
圖片
再看一下加鎖方法的源碼：
// 加鎖方法，傳參是1，表示加鎖一次
public final void acquire(int arg) {
// 1. 首先嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則設置state+1，exclusiveOwnerThread=currentThread（留給子類實現）
if (!tryAcquire(arg) &&
// 2. 如果沒有獲取成功，把線程組裝成Node節點，追加到同步隊列末尾
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
// 3. 加入同步隊列后，將自己掛起
selfInterrupt();
}
}再看一下addWaiter()方法源碼，作用就是把線程組裝成Node節點，追加到同步隊列末尾。
// 追加到同步隊列末尾，傳參mode表示是共享模式or排他模式
private Node addWaiter(Node mode) {
// 1. 組裝成Node節點
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 2. 在多線程競爭不激烈的情況下，通過CAS方法追加到同步隊列末尾
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 3. 在多線程競爭激烈的情況下，使用死循環保證追加到同步隊列末尾
enq(node);
return node;
}
// 通過死循環的方式，追加到同步隊列末尾
private Node enq(final Node node) {
for (; ; ) {
Node t = tail;
if (t == null) {
// 如果同步隊列為空，先初始化頭節點（頭節點是空節點）
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 再使用CAS追加到同步隊列末尾
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
// 創建Node節點，傳參thread表示當前線程，mode表示共享模式or排他模式
Node(Thread thread, Node mode) {
this.thread = thread;
this.nextWaiter = mode;
}再看一下addWaiter()方法外層的acquireQueued()方法，作用就是：
- 在追加到同步隊列末尾后，再判斷一下前驅節點是不是頭節點。如果是，說明是第一個加入同步隊列的，就再去嘗試獲取鎖。如果獲取鎖成功，就把自己設置成頭節點。
- 如果前驅節點不是頭節點，或者獲取鎖失敗，就逆序遍歷同步隊列，找到可以將自己喚醒的節點。
- 最后才放心地將自己掛起
// 追加到同步隊列末尾后，再次嘗試獲取鎖
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (; ; ) {
// 1. 找到前驅節點
final Node p = node.predecessor();
// 2. 如果前驅節點是頭結點，就再次嘗試獲取鎖
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 3. 獲取鎖成功后，把自己設置為頭節點
setHead(node);
p.next = null;
failed = false;
return interrupted;
}
// 4. 如果還是沒有獲取到鎖，找到可以將自己喚醒的節點
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 5. 最后才放心地將自己掛起
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}再看一下shouldParkAfterFailedAcquire()方法，是怎么找到將自己喚醒的節點的？為什么要找這個節點？
// 加入同步隊列后，找到能將自己喚醒的節點
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 1. 如果前驅節點的狀態已經是SIGNAL狀態（釋放鎖后，需要喚醒后繼節點），就無需操作了
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 2. 如果前驅節點的狀態是已取消，就繼續向前遍歷
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 3. 找到了不是取消狀態的節點，把該節點狀態設置成SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}從代碼中可以很清楚的看到，目的就是為了找到不是取消狀態的節點，并把該節點的狀態設置成SIGNAL。 狀態是SIGNAL的節點，釋放鎖后，需要喚醒其后繼節點。 簡單理解就是：小弟初來乍到，特意來知會老大一聲，有好事，多通知小弟。 再看一下釋放鎖的邏輯。
2. 釋放鎖
釋放鎖的流程如下：
圖片
釋放鎖的代碼邏輯比較簡單：
// 釋放鎖，傳參是1，表示釋放鎖一次
public final boolean release(int arg) {
// 1. 先嘗試釋放鎖，如果成功，則設置state-1，exclusiveOwnerThread=null（由子類實現）
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 2. 如果同步隊列中還有其他節點，就喚醒下一個節點
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 3. 喚醒其后繼節點
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}再看一下喚醒后繼節點的方法，作用就是重置頭節點狀態，然后找到一個有效的后繼節點并喚醒。
// 喚醒后繼節點
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
// 1. 如果頭節點不是取消狀態，就重置成初始狀態
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
// 2. 如果后繼節點是null或者是取消狀態
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 3. 從隊尾開始遍歷，找到一個有效狀態的節點
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 3. 喚醒這個有效節點
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}3. await等待
await等待的流程：
圖片
持有鎖的線程可以調用await()方法，在ConditionObject類里面。作用是：釋放鎖，并追加到條件隊列末尾。
// 等待方法
public final void await() throws InterruptedException {
// 如果線程已中斷，則拋出中斷異常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 1. 追加到條件隊列末尾
Node node = addConditionWaiter();
// 2. 釋放鎖
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
// 3. 有可能剛加入條件隊列就被轉移到同步隊列了，如果還在條件隊列，就可以放心地掛起自己
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 4. 如果已經轉移到同步隊列，就嘗試獲取鎖
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
// 5. 清除條件隊列中已取消的節點
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}再看一下addConditionWaiter方法，是怎么追加到條件隊列末尾的？
// 追加到條件隊列末尾
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
// 1. 清除已取消的節點，找到有效節點
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
// 2. 創建Node節點，狀態是CONDITION（表示處于條件隊列）
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
// 3. 追加到條件隊列末尾
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}4. signal喚醒
signal喚醒的流程：
圖片
// 喚醒條件隊列的頭節點
public final void signal() {
// 1. 只有持有鎖的線程才能調用signal方法
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 2. 找到條件隊列的頭節點
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
// 3. 開始喚醒
doSignal(first);
}
// 實際的喚醒方法
private void doSignal(Node first) {
do {
// 4. 從條件隊列中移除頭節點
if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
// 5. 使用死循環，一定要轉移一個節點到同步隊列
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}到底是怎么轉移到同步隊列末尾的？
// 實際轉移方法
final boolean transferForSignal(Node node) {
// 1. 把節點狀態從CONDITION改成0，表示從條件隊列轉移到同步隊列
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
// 2. 使用死循環的方式，追加到同步隊列末尾（前面已經講過）
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// 3. 把前驅節點狀態設置SIGNAL（通知他，別忘了喚醒老弟）
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}上篇文章講了AQS的架構設計和排它鎖的加鎖、釋放鎖流程，下篇文章接著講共享鎖的加鎖、釋放鎖流程。這篇文章開始講AQS的共享鎖加鎖和釋放鎖流程。
共享鎖
1. 加鎖
先看共享鎖的加鎖流程：
// 加鎖方法，傳參是1，表示加鎖一次
public final void acquireShared(int arg) {
// 1. 首先嘗試獲取鎖，返回值小于0，表示獲取鎖失敗
if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
// 2. 獲取鎖失敗后，執行的邏輯
doAcquireShared(arg);
}
}
// 獲取鎖失敗，執行的邏輯
private void doAcquireShared(int arg) {
// 1. 把當前線程包裝成Node節點追加到同步隊列末尾（前面已經講過）
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (; ; ) {
// 2. 找到前驅節點
final Node p = node.predecessor();
// 3. 如果前驅節點是頭結點，就再次嘗試獲取鎖
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 3. 獲取鎖成功后，把自己設置為頭節點并向后傳播
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null;
// 4. 檢查中斷狀態
if (interrupted) {
selfInterrupt();
}
failed = false;
return;
}
}
// 4. 如果獲取鎖失敗，把前驅節點狀態設置成SIGNAL，用來喚醒自己（前面講過）
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 掛起并中斷當前線程
parkAndCheckInterrupt()) {
interrupted = true;
}
}
} finally {
// 5. 如果獲取鎖失敗，就取消當前節點
if (failed) {
cancelAcquire(node);
}
}
}看一下上面的第三步設置頭節點的邏輯，setHeadAndPropagate() 方法的作用就是：
- 設置新的頭節點
- 向后傳播共享鎖
這里就是共享鎖與排它鎖的區別，共享鎖的同步隊列中某個節點獲取到鎖時，會向后傳播，喚醒其他節點，也就是通知隊列中其他節點一起獲取鎖，。
// 設置頭節點，并向后傳播
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
setHead(node);
// propagate > 0 表示獲取到了共享鎖
// h == null || h.waitStatus < 0 表示當前頭節點已經不再是有效節點，可能是被取消或者已經釋放了鎖，需要進行傳播。
// 再次判斷頭節點，防止在設置頭節點的過程中發生競爭
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
// 判斷如果后繼節點為空或者是共享節點，就開始傳播共享鎖
if (s == null || s.isShared()) {
doReleaseShared();
}
}
}再看一下上面第五步，獲取鎖失敗后，取消當前節點的邏輯：
// 取消獲取鎖
private void cancelAcquire(Node node) {
// 判空
if (node == null) {
return;
}
// 1. 設置線程為null，不再持有鎖
node.thread = null;
// 2. 如果前驅節點是取消狀態，繼續向前遍歷，找到不是取消狀態的前驅節點
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0) {
node.prev = pred = pred.prev;
}
Node predNext = pred.next;
// 3. 把當前節點設置為取消狀態，不再獲取鎖
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// 4. 判斷如果當前節點是尾節點，就刪除當前節點
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
// 5. 判斷后繼節點是否需要被喚醒
int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0) {
// 6. 刪除當前節點
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
}
} else {
// 7. 喚醒后繼節點
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node;
}
}2. 釋放鎖
看一下釋放鎖的邏輯：
// 釋放鎖，傳參是1，表示釋放鎖一次
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 先嘗試釋放鎖
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 釋放鎖成功后，要執行的邏輯
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}再看一下釋放鎖成功后，要執行的 doReleaseShared() 方法的邏輯，作用是：
- 傳播共享鎖
- 喚醒同步隊列中線程
// 釋放鎖成功后，要執行的邏輯
private void doReleaseShared() {
for (; ; ) {
Node h = head;
// 判斷是否等于尾節點，如果是尾節點，就不用傳播了
if (h != null && h != tail) {
// 判斷節點狀態，如果是SIGNAL，則需要被喚醒
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 重置head節點狀態，表示開始喚醒下個節點。如果重置失敗，說明發生了競爭，需要再次嘗試。
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) {
continue;
}
// 喚醒下一個節點
unparkSuccessor(h);
// 如果節點狀態是0，則需要設置成PROPAGATE，繼續傳播
} else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) {
continue;
}
}
// 如果頭節點沒變，表示循環中沒有進行頭節點的修改，說明已經處理完了需要喚醒的節點，可以退出循環。
if (h == head) {
break;
}
}
}責任編輯：武曉燕
來源：
一燈架構
