Java并发包（JUC）中提供了很多并发工具，这其中，很多我们耳熟能详的并发工具，譬如ReentrangLock、Semaphore，它们的实现都用到了一个共同的基类–AbstractQueuedSynchronizer,简称AQS。AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。
基本实现原理
AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。
//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
private volatile int state;
状态信息通过procted类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作。
AQS支持两种同步方式：
- 独占式
- 共享式
这样方便使用者实现不同类型的同步组件，独占式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，组合式的如ReentrantReadWriteLock。总之，AQS为使用提供了底层支撑，如何组装实现，使用者可以自由发挥。
如何使用
同步器的设计是基于模板方法模式的，一般的使用方式是这样：
- 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）。
- 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
这其实是模板方法模式的一个很经典的应用。
我们来看看AQS定义的这些可重写的方法：
protected boolean tryAcquire(int arg) : 独占式获取同步状态，试着获取，成功返回true，反之为false
protected boolean tryRelease(int arg) ：独占式释放同步状态，等待中的其他线程此时将有机会获取到同步状态；
protected int tryAcquireShared(int arg) ：共享式获取同步状态，返回值大于等于0，代表获取成功；反之获取失败；
protected boolean tryReleaseShared(int arg) ：共享式释放同步状态，成功为true，失败为false
protected boolean isHeldExclusively() ： 是否在独占模式下被线程占用。
关于AQS的使用，我们来简单总结一下：
首先，我们需要去继承AbstractQueuedSynchronizer这个类，然后我们根据我们的需求去重写相应的方法，比如要实现一个独占锁，那就去重写tryAcquire，tryRelease方法，要实现共享锁，就去重写tryAcquireShared，tryReleaseShared；最后，在我们的组件中调用AQS中的模板方法就可以了，而这些模板方法是会调用到我们之前重写的那些方法的。也就是说，我们只需要很小的工作量就可以实现自己的同步组件，重写的那些方法，仅仅是一些简单的对于共享资源state的获取和释放操作，至于像是获取资源失败，线程需要阻塞之类的操作，自然是AQS帮我们完成了。
设计思想
对于使用者来讲，我们无需关心获取资源失败，线程排队，线程阻塞/唤醒等一系列复杂的实现，这些都在AQS中为我们处理好了。我们只需要负责好自己的那个环节就好，也就是获取/释放共享资源state的姿势T_T。很经典的模板方法设计模式的应用，AQS为我们定义好顶级逻辑的骨架，并提取出公用的线程入队列/出队列，阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现，将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现即可。
源码分析
我们先来简单描述下AQS的基本实现，前面我们提到过，AQS维护一个共享资源state，通过内置的FIFO来完成获取资源线程的排队工作。（这个内置的同步队列称为\"CLH\"队列）。该队列由一个一个的Node结点组成，每个Node结点维护一个prev引用和next引用，分别指向自己的前驱和后继结点。AQS维护两个指针，分别指向队列头部head和尾部tail。
![\"在这里插入图片描述\"](\"/images/csdn/1545380525154l5bai380525.png\")
其实就是个双端双向链表。
当线程获取资源失败（比如tryAcquire时试图设置state状态失败），会被构造成一个结点加入CLH队列中，同时当前线程会被阻塞在队列中（通过LockSupport.park实现，其实是等待态）。当持有同步状态的线程释放同步状态时，会唤醒后继结点，然后此结点线程继续加入到对同步状态的争夺中。
Node结点
Node结点是AbstractQueuedSynchronizer中的一个静态内部类，我们捡Node的几个重要属性来说一下。
static final class Node {
/** 代表共享模式 */
static final Node SHARED = new Node();
/** 代表独占模式 */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** waitStatus值，表示线程已被取消（等待超时或者被中断） */
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus值，表示后继线程需要被唤醒（unpaking） */
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus值，表示结点线程等待在condition上，当被signal后，会从等待队列转移到同步到队列中 */
static final int CONDITION = -2;
/** waitStatus值，表示下一次共享式同步状态会被无条件地传播下去 */
static final int PROPAGATE = -3;
/** 等待状态，初始为0 */
volatile int waitStatus;
/** 当前结点的前驱结点 */
volatile Node prev;
/** 当前结点的后继结点 */
volatile Node next;
/** 与当前结点关联的排队中的线程 */
volatile Thread thread;
/**
* Link to next node waiting on condition, or the special
* value SHARED. Because condition queues are accessed only
* when holding in exclusive mode, we just need a simple
* linked queue to hold nodes while they are waiting on
* conditions. They are then transferred to the queue to
* re-acquire. And because conditions can only be exclusive,
* we save a field by using special value to indicate shared
* mode.
*/
Node nextWaiter;
/**
* 是否是共享模式
*/
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
/**
* 返回当前结点的前驱结点
*/
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
// Used to establish initial head or SHARED marker
Node() { }
// Used by addWaiter
Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
// Used by Condition
Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
成员变量
除了node内部类之外，还需要三个变量保存同步信息。
//双端队列的头
private transient volatile Node head;
//双端队列的尾
private transient volatile Node tail;
//同步状态
private volatile int state;
独占模式——获取同步状态
acquire方法，这是独占模式下获取同步状态的方法。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
我们来简单理一下代码逻辑：
- 首先，调用使用者重写的tryAcquire方法，若返回true，意味着获取同步状态成功，后面的逻辑不再执行；若返回false，也就是获取同步状态失败，进入步骤2；
- 此时，获取同步状态失败，构造独占式同步结点，通过addWatiter将此结点添加到同步队列的尾部（此时可能会有多个线程结点试图加入同步队列尾部，需要以线程安全的方 式添加）；
- 该结点以在队列中尝试获取同步状态，若获取不到，则阻塞结点线程，直到被前驱结点唤醒或者被中断。
addWaiter方法，为获取同步状态失败的线程，构造成一个Node结点，添加到同步队列尾部。
private Node addWaiter(Node mode) {
//构造结点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// //指向尾结点tail
Node pred = tail;
//如果尾结点不为空，CAS快速尝试在尾部添加，若CAS设置成功，返回；否则，enq方法。
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
先cas快速设置，若失败，进入enq方法。将结点添加到同步队列尾部这个操作，同时可能会有多个线程尝试添加到尾部，是非线程安全的操作。以上代码可以看出，使用了compareAndSetTail这个cas操作保证安全添加尾结点。
enq方法，当cas快速设置失败时，将一直自旋。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
//如果队列为空，创建结点，同时被head和tail引用
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
//cas设置尾结点，不成功就一直重试
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq内部是个死循环，通过CAS设置尾结点，不成功就一直重试。很经典的CAS自旋的用法。这是一种乐观的并发策略。
acquireQueued方法，这个方法是一个自旋的过程，每个节点都会自省地观察，当条件满足，获取到同步状态后，就可以从这个自旋过程中退出，否则会一直执行下去。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//找到当前结点的前驱结点
final Node p = node.predecessor();
//如果前驱结点是头结点，才tryAcquire，其他结点是没有机会tryAcquire的。
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取同步状态成功，将当前结点设置为头结点。
setHead(node);
// 方便GC
p.next = null;
failed = false;
return interrupted;
}
// 如果没有获取到同步状态，通过shouldParkAfterFailedAcquire判断是否应该阻塞，parkAndCheckInterrupt用来阻塞线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
//如果线程被中断则返回true
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireQueued内部也是一个死循环，只有前驱结点是头结点的结点，也就是老二结点，才有机会去tryAcquire；若tryAcquire成功，表示获取同步状态成功，将此结点设置为头结点；若是非老二结点，或者tryAcquire失败，则进入shouldParkAfterFailedAcquire去判断判断当前线程是否应该阻塞，若可以，调用parkAndCheckInterrupt阻塞当前线程，直到被中断或者被前驱结点唤醒。若还不能休息，继续循环。
shouldParkAfterFailedAcquire方法，用来判断当前结点线程是否能休息，既是否需要阻塞等待。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取前驱结点的状态
int ws = pred.waitStatus;
//若前驱结点的状态是SIGNAL(已经告诉前驱拿完号后通知自己一下)，意味着当前结点可以被安全地park
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
// ws>0，只有CANCEL状态ws才大于0。若前驱结点处于CANCEL状态，也就是此结点线程已经无效。会从前驱节点的前驱节点开始向前查找，找到一个非CANCEL状态的结点，将自己设置为它的后继结点。
//注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 如果前驱正常，将其设置为SIGNAL状态(告诉它拿完号后通知自己一下。)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
若shouldParkAfterFailedAcquire返回true，也就是当前结点的前驱结点为SIGNAL状态，则意味着当前结点可以放心休息，进入parking状态了。
parkAncCheckInterrupt方法，阻塞线程并处理中断。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//使用LockSupport使线程进入阻塞状态
LockSupport.park(this);
// 线程是否被中断过
return Thread.interrupted();
}
selfInterrupt方法，中断当前线程。
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
至此，关于acquire的方法源码已经分析完毕，我们来简单总结下:
- 首先tryAcquire获取同步状态，成功则直接返回；否则，进入下一环节；
- 线程获取同步状态失败，就构造一个结点，加入同步队列中，这个过程要保证线程安全；
- 加入队列中的结点线程进入自旋状态，若是老二结点（即前驱结点为头结点），才有机会尝试去获取同步状态；否则，当其前驱结点的状态为SIGNAL，线程便可安心休息，进入阻塞状态，直到被中断或者被前驱结点唤醒。
独占模式——释放同步状态
当前线程执行完自己的逻辑之后，需要释放同步状态，由于已经获取到了同步状态，所以不需要进行CAS的同步操作，来看看release方法的逻辑。
release方法，释放同步状态。
public final boolean release(int arg) {
//调用使用者重写的tryRelease方法，若成功，唤醒其后继结点，失败则返回false
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒后继结点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
unparkSuccessor方法，唤醒后继结点。
private void unparkSuccessor(Node node) {
//获取wait状态
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 将等待状态waitStatus设置为初始值0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//后继结点
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
//若后继结点为空，或状态为CANCEL（已失效），则从后尾部往前遍历找到一个处于正常阻塞状态的结点进行唤醒
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
//使用LockSupprot唤醒结点对应的线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
唤醒后继节点时，可能会存在当前线程的后继节点为null，超时、被中断的情况，如果遇到这种情况了，则需要跳过该节点，但是为何是从tail尾节点开始，而不是从node.next开始呢？原因在于node.next仍然可能会存在null或者取消了，所以采用tail回溯办法找第一个可用的线程。最后调用LockSupport的unpark(Thread thread)方法唤醒该线程。
独占模式——获取同步状态响应中断
AQS提供了acquire(int arg)方法以供独占式获取同步状态，但是该方法对中断不响应，对线程进行中断操作后，该线程会依然位于CLH同步队列中等待着获取同步状态。为了响应中断，AQS提供了acquireInterruptibly(int arg)方法，该方法在等待获取同步状态时，如果当前线程被中断了，会立刻响应中断抛出异常InterruptedException。
acquireInterruptibly方法，获取同步状态响应中断。
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
//如果线程中断抛出异常
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
//获取同步状态方法
doAcquireInterruptibly(arg);
}
doAcquireInterruptibly方法，它是获取同步状态主要逻辑代码。
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
//这里不在返回boolean，直接抛出异常
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
doAcquireInterruptibly(int arg)方法与acquire(int arg)方法仅有两个差别：
- 方法声明抛出InterruptedException异常；
- 在中断方法处不再是使用interrupted标志，而是直接抛出InterruptedException异常。
独占模式—— 超时获取同步状态
AQS除了提供上面两个方法外，还提供了一个增强版的方法：tryAcquireNanos(int arg,long nanos)。该方法为acquireInterruptibly方法的进一步增强，它除了响应中断外，还有超时控制。即如果当前线程没有在指定时间内获取同步状态，则会返回false，否则返回true。如下：
tryAcquireNanos方法，超时获取同步状态。
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
//线程中断，抛出异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//获取同步状态，如果获取失败进入doAcquireNanos方法
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
doAcquireNanos方法，
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
//nanosTimeout <= 0
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
//超时时间
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
//新增Node节点
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
//自旋
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//获取同步状态成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
//获取失败，做超时、中断判断
//重新计算超时时间
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
//已经超时，返回false
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
//判断前置接点是否为SIGNAL状态，代表当前线程是否可以进行阻塞处理
//这里还要满足剩余的超时时间大约1000，否则就还是会进行自旋
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
//如果中断，抛出异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
共享模式——获取同步状态
共享式地获取同步状态。对于独占式同步组件来讲，同一时刻只有一个线程能获取到同步状态，其他线程都得去排队等待，其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquire返回值为boolean，这很容易理解；对于共享式同步组件来讲，同一时刻可以有多个线程同时获取到同步状态，这也是“共享”的意义所在。其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquireShared返回值为int。
我们需要重写的方法是：tryAcquireShared。
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
- 当返回值大于0时，表示获取同步状态成功，同时还有剩余同步状态可供其他线程获取；
- 当返回值等于0时，表示获取同步状态成功，但没有可用同步状态了；
- 当返回值小于0时，表示获取同步状态失败。
acquireShared方法，共享模式获取同步状态。
public final void acquireShared(int arg) {
//返回值小于0，获取同步状态失败，排队去；获取同步状态成功，直接返回去干自己的事儿。
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
doAcquireShared方法，
private void doAcquireShared(int arg) {
//构造一个共享结点，添加到同步队列尾部。若队列初始为空，先添加一个无意义的傀儡结点，再将新节点添加到队列尾部。
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
//是否获取成功
boolean failed = true;
try {
//线程parking过程中是否被中断过
boolean interrupted = false;
//死循环
for (;;) {
//找到前驱结点
final Node p = node.predecessor();
//头结点持有同步状态，只有前驱是头结点，才有机会尝试获取同步状态
if (p == head) {
//尝试获取同步装填
int r = tryAcquireShared(arg);
@font-face {
font-family: "autolinktags";
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