AbstractQueuedSynchronizer

AbstractQueuedSynchronizer简称AQS，它是线程之间协作的一种规范，AQS思想来源于CLH队列锁。

CLH队列锁

在多个线程共同操作一个共享资源的时候，会将每个线程打包成一个个的QNode节点，这个节点有俩属性，一个是locked，表示当前线程是否需要获取锁，true为需要获取锁，false需要释放锁。另一个属性myPred，它是一个指针，指向自己的前驱节点QNode，每当有线程没拿到锁，将会在队列尾部排队，并将自己的myPred指向原队列尾部。每个QNode内部都会不断检测前驱节点是否需要释放锁，这样前驱节点释放了锁，自己就变成了头节点。

AbstractQueuedSynchronizer

AbstractQueuedSynchronizer抽象类的几个重要属性

// 头节点，直接把它当做 当前持有锁的线程 可能是最好理解的
private transient volatile Node head;

// 阻塞的尾节点，每个新的节点进来，都插入到最后，也就形成了一个链表
private transient volatile Node tail;

// 这个是最重要的，代表当前锁的状态，0代表没有被占用，大于 0 代表有线程持有当前锁
// 这个值可以大于 1，是因为锁可以重入，每次重入都加上 1
private volatile int state;

// 代表当前持有独占锁的线程，举个最重要的使用例子，因为锁可以重入
// reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次，所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

下图是AQS组成的 阻塞队列（绿色部分），Head和Tail只是指向阻塞队列头和尾的两个引用。

【抽象队列同步器】每当线程进入阻塞状态的时候，都会打包成一个Node节点，Node节点重要属性介绍：

static final class Node {
        /** 表示是一个共享锁 */
        static final Node SHARED = new Node();
        /** 表示是一个独占锁 */
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        /** 这四个常量是给下面的 waitStatus 用的 */
        static final int CANCELLED =  1;// 表示当前线节点消了争锁
        static final int SIGNAL    = -1;// 表示当前线节点需要唤醒后继节点
        static final int CONDITION = -2;// 表示当前节点准备入Condition队列
        static final int PROPAGATE = -3;// 表示共享模式的传播机制
        volatile int waitStatus;// 大于0表示当前节点取消了争锁
        /** 当前节点的前驱节点 */
        volatile Node prev;
        /** 当前节点的后继节点 */
        volatile Node next;
        /** 当前线程 */
        volatile Thread thread;
        /** 当前节点在Condition队列中的下一个等待中的节点 */
        Node nextWaiter;
}

ReentrantLock

ReentrantLock是基于AQS实现的

ReentrantLock的基本使用

/**
 * 工作线程
 * @author zhangjianbing
 */
public class Worker {

    // 声明一个lock锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increament01() {
        // 加锁
        lock.lock();
        try {
            // TODO 业务逻辑操作
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

}

ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁，所以真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的，这里使用了模板方法设计模式，比如AQS中的acquire()方法。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    
}

Sync 有两子类，分别为 NonfairSync（非公平锁，默认）和 FairSync（公平锁），下面是 FairSync 的源码部分。

lock()方法

一般使用lock方法进行加锁，它内部其实是调用的同步器的acquire方法。

acquire加锁

public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1 ,获取锁是将 state 由0改为1
    // 首先调用tryAcquire(1)试一下，如果成功加锁，那这个线程不必打包成Node进行排队了。
    if (!tryAcquire(arg) &&
        // tryAcquire(arg)没有成功，这个时候需要把当前线程挂起，放到阻塞队列中。
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
        selfInterrupt();
    }
}

tryAcquire尝试获取锁

// 尝试直接获取锁，返回值是boolean，代表是否获取到锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();// volatile修饰
    if (c == 0) {// 此时此刻没有线程持有锁
        // 虽然此时此刻锁是可以用的，但是这是公平锁,先判断队列中有没有其他节点
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            // 如果没有线程在等待，那就用CAS尝试一下，成功了就获取到锁了，
            // 不成功的话，只能说明一个问题，就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了
            // 这里没用for循环，是因为，这只是尝试获取一下，后面会有for循环CAS
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 到这里就是获取到锁了，标记一下，告诉大家，现在是我占用了锁
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 如果进入这个else if分支，说明是重入了，需要操作：state=state+1
    // 这里不存在并发问题，因为当前线程已经持有锁了
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 首先判断一下当前线程与持有锁的线程是否为同一个
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    // 如果到这里，说明前面的if和else if都不成立，返回false，说明尝试失败
    // 回到上面一个外层调用方法继续看:
    // if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 
    //     selfInterrupt();
    // 继续看addWaiter入队操作
    return false;
}

addWaiter入队

// 此方法的作用是把线程包装成Node节点，同时进入到队列中
// 参数mode此时是Node.EXCLUSIVE，代表独占模式
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 将当前线程包装成Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    // 这句英文意思是enq方法上面这段代码的意义是快速的尝试一下将当前节点设置成尾节点，如果不成功在for循环CAS
    // 以下几行代码想把当前node加到链表的最后面去，也就是进到阻塞队列的最后
    Node pred = tail;// 取到原始尾几点
    // tail!=null => 队列不为空(tail==head的时候，其实队列是空的，不过不管这个吧)
    if (pred != null) { 
        // 将当前的队尾节点，设置为当前线程的前驱节点
        node.prev = pred; 
        // 用CAS把自己设置为队尾, 如果成功后，tail == node 了，这个节点成为阻塞队列新的尾巴
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {// 这里没用for循环CAS，目的是为了快速尝试，不成功则走enq
            // 进到这里说明设置成功，当前node==tail, 将自己与之前的队尾相连，
            // 上面已经有 node.prev = pred，加上下面这句，也就实现了和之前的尾节点双向连接了
            pred.next = node;
            // 线程入队了，可以返回了
            return node;
        }
    }
    // 如果会到这里说明 pred==null(队列是空的) 或者 CAS失败(有线程在竞争入队)
    enq(node);// 代码在下面
    return node;
}

// 采用无限循环的方式入队，总有一天能成为队列的尾巴
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        // t == null说明队列还未初始化，首先初始化队列
        if (t == null) { // Must initialize
            // CAS设置头节点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                // 这个时候有了head，但是tail指向head
                // 这里只是设置了tail = head，设置完了以后，继续for循环，下次就到下面的else分支了
                tail = head;
        } else {
            // 这个套在无限循环里，就是将当前线程排到队尾，有线程竞争的话排不上重复排，直到排到队尾为止
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

acquireQueued获取队列

// 回到开始这段代码
// if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 
//     selfInterrupt();

// 经过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，此时已经进入阻塞队列
// 如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的话，
// 意味着上面这段代码将进入selfInterrupt()，所以正常情况下，下面应该返回false
// 这个方法非常重要，应该说真正的线程挂起，然后被唤醒后去获取锁，都在这个方法里了
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 入队后紧接着进入无限循环
        for (;;) {
            // 拿到当前节点的前驱节点，如果前驱节点为null那么抛NPE异常
            final Node p = node.predecessor();
            // p == head 说明当前节点虽然进到了阻塞队列，但是是阻塞队列的第一个，因为它的前驱是head
            // 阻塞队列不包含head节点，head一般指的是占有锁的线程，head后面的才称为阻塞队列
            // 所以当前节点可以去试抢一下锁
            // 这里我们说一下，为什么可以去试试：
            // 首先，它是队头，这个是第一个条件，其次，当前的head有可能是刚刚初始化的node，
            // enq(node) 方法里面有提到，head是延时初始化的，而且new Node()的时候没有设置任何线程
            // 也就是说，当前的head不属于任何一个线程，所以作为队头，可以去试一试，
            // tryAcquire已经分析过了，就是简单用CAS试操作一下state
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 到这里，说明上面的if分支没有成功，要么当前node本来就不是队头
            // 要么就是tryAcquire(arg)没有抢赢别人
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        // 什么时候 failed 会为 true???
        // tryAcquire() 方法抛异常的情况
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

shouldParkAfterFailedAcquire

// 刚刚说过，到这里就是没有抢到锁呗，这个方法说的是："当前线程没有抢到锁，是否需要挂起当前线程？"
// 第一个参数是前驱节点，第二个参数才是代表当前线程的节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    // 前驱节点的 waitStatus == -1 ，说明前驱节点状态正常，当前线程需要挂起，直接可以返回true
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    // 前驱节点 waitStatus大于0 ，之前说过，大于0 说明前驱节点取消了排队。
    // 这里需要知道这点：进入阻塞队列排队的线程会被挂起，而唤醒的操作是由前驱节点完成的。
    // 所以下面这块代码说的是将当前节点的prev指向waitStatus<=0的节点，
    // 此while循环作用：
    // 如果当前节点的前驱节点取消了排队,就找前面最近的一个状态<=0的节点，因为当前节点依赖它来唤醒
    // 如果前面的节点状态都为取消排队，那么当前节点就是队列的头
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 如果进入到这个分支意味着ws只能是0，-2，-3
        // 前面的源码中，都没有看到有设置waitStatus的，所以每个新的node入队时，waitStatu都是0
        // 正常情况下，前驱节点是之前的 tail，那么它的 waitStatus 应该是 0
        // 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1)
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    // 这个方法返回 false，那么会再走一次 for 循序，
    // 然后再次进来此方法，此时会从第一个分支返回 true
    return false;
}

这个方法结束根据返回值简单分析下：

• 如果返回true：说明前驱节点的waitStatus = -1，是正常情况，那么当前线程需要被挂起，等待以后被唤醒我们也说过，以后是被前驱节点唤醒，就等着前驱节点拿到锁，然后释放锁的时候叫你好了。
• 如果返回false：说明当前不需要被挂起。

parkAndCheckInterrupt

shouldParkAfterFailedAcquire返回true，则进入parkAndCheckInterrupt这个方法。这个方法的作用就是将当前线程挂起。

// 因为shouldParkAfterFailedAcquire返回true，所以需要挂起当前线程
// 这里用了LockSupport.park(this)来挂起线程，等待被前驱节点唤醒
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

回到上面的阻塞代码块

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
    interrupted = true;

到这里，当前线程就被阻塞住了，它会一直在这里阻塞，直到它的前驱节点将它唤醒。

unlock()方法

release释放锁

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease尝试释放锁

// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
// 释放锁没有使用任何CAS，那是因为本身就在锁中操作，不存在线程安全问题
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 扣减当前线程持有锁的个数（可重入锁的实现机制）
    int c = getState() - releases;
    // 判断当前线程是否是持有锁的线程
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 是否完全释放锁
    boolean free = false;
    // 其实就是重入的问题，如果c==0，也就是说没有嵌套锁了，可以释放了，否则还不能释放掉
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

unparkSuccessor唤醒后继者

// 从上面调用处知道，参数node是head头节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    // 如果head节点当前 waitStatus < 0, 将其修改为0
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 下面的代码就是唤醒后继节点，但是有可能后继节点取消了等待（waitStatus == 1）
    Node s = node.next;
    // 从队尾往前找，找到 waitStatus <= 0的所有节点中排在最前面的
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 从后往前找ws为-1的节点，如果有-1的，for循环并没有break，所以这段代码意思是找到最前面的那个节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        // 唤醒后继节点的线程
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

这里唤醒以后，代码又会走到这里

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this); // 刚刚线程被挂起在这里了
    return Thread.interrupted();// 不忘检查一下当前线程的状态，true：当前线程未被中断
}

到此全文完，后续会补一张公平锁的流程图。

以上大部分来源于javadoop ，感谢帮助理清思路。