AQS:JAVA经典之锁实现算法（一）

AQS可以说是 JAVA 源码中必读源码之一。同时它也是JAVA大厂面试的高频知识点之一。认识并了解它，JAVA初中升高级工程师必备知识点之一。 AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称，它也是JUC包下众多非原生锁实现的核心。

一：AQS基础概况

AQS是基于CLH队列算法改进实现的锁机制。大体逻辑是AQS内部有一个链型队列，队列结点类是AQS的一个内部类Node，形成一个类似如下Sync Queue(记住这个名词)

可以看出，一个Node除了前后结点的索引外，还维护了一个Thread对象，一个int的waitStatus。 Thread对象就是处于竞争队列中的线程对象本身。 waitStatus表示当前竞争结点的状态，这里暂且忽略掉。

处于队首的，即Head所指向的结点，即为获取到锁的结点。释放锁即为出队，后续结点则成为队首，即获取到锁

Tips:这里帮大家理解一个事情，每一个ReentrantLock实例都有且只有一个AQS实例，一个AQS实例维护一个Sync Queue。所以说，当我们的业务代码中的多个线程对同一个ReentrantLock实例进行锁竞争操作时，其实际就是对同一个Sync Queue的队列进行入队、出队操作。

二：AQS调用入口----ReentrantLock

我们在用ReentrantLock时，代码通常如下：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Runnable runnable = new Runnable() {
  public void run() {
    lock.lock();
    Sys.out(Thread.currentThread().name() + "抢到锁");
    lock.unlock();
  }
};
Thread t1 = new Thread(runnable);
Thread t2 = new Thread(runnable);
t2.start();
t1.start();
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可见线程t1,t2竞争lock这个锁。 lock.lock() 抢锁 lock.unlock() 释放锁 来看入口函数 lock

public void lock() {
  sync.lock();
}
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sync 是 ReentrantLock 内的一个继承了 AQS 的抽象类

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}
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抽象类的具体实现是另两个内部类 NonFairSync FairSync ，分别代表非公平锁、公平锁。

我们系统来看下继承图

ReentrantLock中的sync实例，默认是在构造函数中初始化的，

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}
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那我们就看默认的 NonFairSync 的实现逻辑。

NonFairSync

当我们调用 ReentrantLock.lock() 时，直接调用到的是 NonFairSync.lock()

/**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
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compareAndSetState(0, 1) 通过CAS（CAS是啥，这里不讲，参考乐观锁。具体Google吧）方式，设置AQS的 int state 字段为1。AQS内部就是通过这个 state 是否为0来判断当前锁是否已经被线程获取到。 返回 true ，则说明获取锁成功，设置当前锁的独占线程 setExclusiveOwnerThreaThread.currentThread()); 否则， acquire(1) 尝试获d(取锁。这个方法会自旋、阻塞，一直到获取锁成功为止。这里，传进去的参数1，就参考乐观锁的版本字段，同时，这里，它还记录了可重入锁重复获取到锁的次数。只有释放同样次数才能最终释放锁。

具体看AQS的 acquire() 的逻辑

AbstractQueuedSynchronizer.acquire()

public final void acquire(int arg) {
      if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
}
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要注意，这个方法是忽略线程中断的。 先看 tryAcquire(arg) ，这个方法是AQS留给子实现类的口子，具体实现看 NonFairSync ,它的实现里直接调用了 Sync.nonfairTryAcquire() ，

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;
        }
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可以看到方法内，先是尝试获取 state = 0 时的初始锁，如果失败，判断当前锁是否是被当前线程获取，是的话，将 acquire 时传入的参数累加到 state 字段上。在这里，这个字段就是用来记录重复获取锁的次数。 获取失败则返回 false

回到 acquire 在获取失败，返回 false 后，才会继续调用 && 右边的 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 方法。 先看 addWaiter

private Node addWaiter(Node mode) {
1：        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
2：        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
3：        Node pred = tail;
4：        if (pred != null) {
5：           node.prev = pred;
6：           if (compareAndSetTail(pred, node)) {
7：                pred.next = node;
8：                return node;
9：            }
10：        }
11：       enq(node);
12：        return node;
13：    }
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利用传进来的 Node.EXCLUSIVE 表示的排斥锁参数以及当前线程实例初始化新 Node ，第 4-10 行代码是在 Sync Queue 队列内有竞争线程时进入。为空时会走到 enq(node) ，这里是在竞争为空时将竞争线程入队的操作。 然后返回当前竞争的线程 node 此时 Sync Queue 如图

我们假设node_1是已经获取到锁的结点，node_2即为我们当前操作的结点。

返回 acquire 接着看 addWaiter 返回的 node 直接作为参数给了 acquireQueued ，这个方法就是主要的 node 竞争锁方法。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        // 获取锁成功失败标记
        boolean failed = true;
        try {
            // 当前竞争线程的中断标记
            boolean interrupted = false;
            // 自旋竞争锁，竞争不到锁的话，线程又没有中断
            // 则一直在这儿循环
            for (;;) {
                // 获取当前线程的前驱结点
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果前驱结点是头结点，则尝试去tryAcquire
                // 这个逻辑我们之前看过，当前线程未获取到锁的情况下
                // 在AQS的state字段不为0时，则返回false
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 进入到这里，说明要不就是当前线程在重复获取
                    // 要不就是前边的结点释放锁，state 归0,这里获取到
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    // 标识竞争锁成功
                    failed = false;
                    // 这个方法不响应线程中断，但是会返回线程在竞争锁过程中
                    // 中断标记返回
                    return interrupted;
                }
                // 若获取锁失败，则到这里。这里的逻辑主要在If判断
                // 的两个方法中，用来将当前线程挂起的，具体逻辑
                // 看下面
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
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park就是停下的意思。所以这个方法从名字上也比较好理解，就是 挂起线程并且检查线程的中断状态。这里要注意， LockSupport.part(this) 方法是会在线程中断时自动唤醒的

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
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这个方法传入了当前竞争结点及其前驱结点

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        // 前驱结点的等待状态。这里只需要记住，我们这里考虑的是
        // 非共享锁、非公平锁的AQS。所以，只需要确保当前竞争
        // 结点的前驱结点状态为SIGNAL就好。剩下的状态，
        // 与我们此时研究的情况而言没有用
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            // 如果前驱结点的status为0，则将其改为SIGNAL
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
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从 shouldParkAfterFailedAcquire 可以看出来，在确保前驱结点status为 SIGNAL 时，就可以放心的去 unsafe.park() 了。之所以要为 SIGNAL ，是因为这个状态含义为：当前结点OVER时要唤醒后继结点。

所以不难推出，我们的结点现在就 park 在那了。等他前驱结点释放锁，或者自己interrupt来唤醒，但因为这个方法是无视中断的，所以即使interrupt了，只是设置了一个标记位，但仍然在循环中。

这里假设前驱结点获取锁后释放，则当前结点在 parkAndCheckInterrupt() 方法中被唤醒，而后再次循环 for(;;) ，这次会在第一个 if 中就进入，当前结点获取到锁，然后重置 Head 指向的结点等，返回当前线程的中断标记。

返回 acquire

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
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if 中的 selfInterrupt() 方法只是去重新设置当前线程的中断标记位。这是因为获取线程中断状态的方法，在返回状态字段的同时，也会重置字段，所以需要标记后重新设置相应的值。

下面我们看下AQS释放锁的接口方法

ReentrantLock.unlock

public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
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追进去

ReentrantLock.release

public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
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tryRelease 是在 NonFairLock 中的实现的，如果是释放成功，则在 Head 存在并且状态不为0（其实可以理解为值为 SIGNAL 时）去唤醒 Head 的后继结点。

NonFailLock.tryRelease

下面看下 NonFairLock 的 tryRelease 方法的实现

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;
        }
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可以看出，这个 tryRelease 其实就是去判断下是不是当前线程拥有锁，是的话，判断下当前的释放锁是否完全释放，因为锁可以重复获取，完全释放的话，就设置 state 为0，代表AQS的锁已经被释放了。