一、包结构介绍
我们查看下java.util.concurrent.locks包下面，发现主要包含如下类：
可以发现ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock都是AbstractQueueSynchronizer类。我们先来介绍下AbstractQueuedSynchronizer类。
二、AbstractQueuedSynchronizer
AbstractQueuedSynchronizer，简写为AQS，抽象队列同步器。它是一个用于构建锁和同步器的框架，许多同步器都可以通过AQS很容易并且高效的构造出来，以下都是通过ASQ构造出来的：ReentrantLock，Semaphore，CountDownLatch，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue。
三、AQS原理
AQS是通过队列来辅助实现线程同步的，线程并发争夺state资源，争夺失败的则进入等待队列(同步队列)并进入阻塞状态，在state资源被释放之后，从队列头唤醒被阻塞的线程节点，进行state资源的竞争。
这样势必会涉及很频繁的队列入队出队操作，以及线程的阻塞唤醒操作。这些操作恰恰是最难编写，最容易出错的，为此AQS把这些操作做了封装，以模板的方式提供出来，我们可以通过实现模板的相关方法，实现不一样的锁或者同步器。
AQS使用了模板方法，把同步队列都封装起来了，同时提供了以下五个未实现的方法，用于子类的重写：
-
boolean tryAcquire(int arg)：尝试以独占模式进行获取。 此方法应查询对象的状态是否允许以独占模式获取对象，如果允许则获取它。如果获取失败，则将当前线程加入到等待队列，直到其他线程唤醒。
-
boolean tryRelease(int arg)：尝试以独占模式释放锁。
-
int tryAcquireShared(int arg)：尝试以共享模式获取锁，此方法应查询对象的状态是否允许以共享模式获取对象，如果允许则获取它。如果获取失败，则将当期线程加入到等待队列，直到其他线程唤醒。
-
boolean tryReleaseShared(int arg)：尝试以共享模式释放锁。
-
boolean isHeldExclusively()：是否独占模式
四、AQS数据结构
4.1 AQS同步器数据结构
如上图，AQS中：
-
state：所有线程通过通过CAS尝试给state设值，当state>0时表示被线程占用；同一个线程多次获取state，会叠加state的值，从而实现了可重入；
-
exclusiveOwnerThread：在独占模式下该属性会用到，当线程尝试以独占模式成功给state设值，该线程会把自己设置到exclusiveOwnerThread变量中，表明当前的state被当前线程独占了；
-
等待队列(同步队列)：等待队列中存放了所有争夺state失败的线程，是一个双向链表结构。state被某一个线程占用之后，其他线程会进入等待队列；一旦state被释放(state=0)，则释放state的线程会唤醒等待队列中的线程继续尝试cas设值state；
-
head：指向等待队列的头节点，延迟初始化，除了初始化之外，只能通过setHead方法进行修改；
-
tail：指向等待队列的队尾，延迟初始化，只能通过enq方法修改tail，该方法主要是往队列后面添加等待节点。
4.2 AQS队列节点数据结构
- prev：指向队列中的上一个节点；
- waitStatus：节点的等待状态，初始化为0，表示正常同步等待：
- CANCELLED = 1：节点因超时或者被中断而取消时设置为取消状态；
- SIGNAL = -1：指示当前节点被释放后，需要调用unpark通知后面节点，如果后面节点发生竞争导致获取锁失败，也会将当前节点设置为SIGNAL；
- CONDITION = -2：指示该线程正在进行条件等待，条件队列中会用到；
- PROPAGATE = -3：共享模式下释放节点时设置的状态，表示无限传播下去。
- thread：当前节点操作的线程；
- nextWaiter：该字段在Condition条件等待中会用到，指向条件队列的下一个节点。或者链接到SHARED常量，表示节点正在以共享模式等待；
- next：指向队列中的下一个节点。
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
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
/**
* 同步等待队列（双向链表）中的节点
*/
static final class Node {
/** 用于指示节点正在共享模式下等待的标记 */
static final Node SHARED = new Node();
/** 用于指示节点正在独占模式下等待的标记 */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** 线程被取消了 */
static final int CANCELLED = 1;
/**
* 如果前驱节点的等待状态是SIGNAL，表示当前节点将来可以被唤醒，那么当前节点就可以安全的挂起了
* 否则，当前节点不能挂起
*/
static final int SIGNAL = -1;
/** 线程正在等待条件 */
static final int CONDITION = -2;
/**
* 指示下一个acquireShared应无条件传播
*/
static final int PROPAGATE = -3;
//值就是前四个int值和0（CANCELLED/SIGNAL/CONDITION/PROPAGATE/0）
volatile int waitStatus;
/**
* 前驱节点
*/
volatile Node prev;
/**
* 后继节点
*/
volatile Node next;
/**
* 节点中的线程
*/
volatile Thread thread;
/**
* 条件队列中的下一个节点，条件队列为单链表
*/
Node nextWaiter;
}
}
LockSupport的park和unpark
AQS中线程的阻塞和唤醒基本上都使用这两个方法实现的。其底层都是依赖Unsafe实现的。
LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞的原语。
此类与使用它的每个线程关联一个许可(permit: 0表示无许可，1 表示有许可)，如果有许可，将立刻返回对park()的调用，并且在此过程化消耗掉它。否则，park()会导致线程进入阻塞；调用 unpark() 可使许可证可用，如果尚不可用。不过与信号量不同的是，许可证不会累加，最多只有一个。
该类中常见的两个方法两个方法：
-
park(Object blocker)：实现线程的阻塞。除非有许可，否则出于线程调度目的将阻塞线程；如果有许可，则将许可消耗，然后线程往下继续执行；
-
unpark(Thread thread)：实现解除线程的阻塞。如果线程在park方法上被阻塞，则调用该方法将取消阻塞。否则，许可变为1，保证下一次调用park方法不会阻塞。
这两个方法底层是调用了Unsafe中的park和unpark的native方法。
CAS
我们知道，计算机中提供了cas相关指令，这是一种乐观的并发策略，需要硬件指令集的发展才能支持，实现了：操作+冲突检测的原子性。
IA64 和 X86 使用cmpxchg指令完成CAS功能。
cas 内存位置 旧预期值 新值
CAS存在ABA问题，可以使用版本号进行控制，保证其正确性。
JDK中的CAS，相关类：Unsafe里面的compareAndSwapInt()以及compareAndSwapLong()等几个方法包装提供。只有启动类加载器加载的class才能访问他，或者通过反射获取。
五、AQS中的一般处理流程
为了弄清楚AQS中是如何进行队列同步的，我们先从一个简单的独占加锁方法说起。
5.1 public final void acquire(int arg)
这个方法是使用独占模式获取锁，忽略中断。通过至少调用一次tryAcquire成功返回来实现。 否则，线程将排队，并可能反复阻塞和解除阻塞，并调用tryAcquire直到成功。
我们先看一下这个方法的入口代码：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
public final void acquire(int arg) {
// 尝试获取锁，这里是一个在AQS中未实现的方法，具体由子类实现
if (!tryAcquire(arg) &&
// 获取不到锁，则 1.添加到等待队列 2.不断循环等待重试
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
}
5.2 tryAcquire(int arg)
一开始，会尝试调用AQS中未实现的方法tryAcquire()尝试获取锁，获取成功则表示获取锁了，该方法的实现一般通过CAS进行设置state尝试获取锁：
不同的锁可以有不同的tryAcquire()实现，所以，你可以看到ReentrantLock锁里面会有非公平锁和公平锁的实现方式。
ReentrantLock公平锁的实现代码在获取锁之前多了一个判断：!hasQueuedPredecessors()，这个是判断如果当前线程节点之前没有其他节点了，那么我们才可以尝试获取锁，这就是公平锁的体现。
5.3 private Node addWaiter(Node mode)
获取锁失败之后，则会进入这一步，这里会尝试把线程节点追加到等待队列后面，是通过CAS进行追加的，追加失败的情况下，会循环重试，直至追加成功为止。如果追加的时候，发现head节点还不存在，则先初始化一个head节点，然后追加上去：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
private Node addWaiter(Node mode) {
// 将当期线程构造成Node节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
// 将原来尾节点设置为新节点的上一个节点
node.prev = pred;
// 尝试用新节点取代原来的尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 取代成功，则将原来尾指针的下一个节点指向新节点
pred.next = node;
return node;
}
}
// 如果当前尾指针为空，则调用enq方法
enq(node);
return node;
}
}
5.4 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg)
加入等待队列之后，会执行该方法，不断循环地判断当前线程节点是否在head后面一位，如果是则调用tryAcquire()获取锁，如果获取成功，则把线程节点作为Node head，并把原Node head的next设置为空，断开原来的Node head。注意这个Node head只是占位作用，每次处理的都是Node head的下一个节点：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
/**
* 已经入队的线程尝试获取锁
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//标记是否成功获取锁
boolean failed = true;
try {
//标记线程是否被中断过
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//获取前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前驱是head,即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 获取成功,将当前节点设置为head节点
setHead(node);
// 原head节点出队,在某个时间点被GC回收
p.next = null; // help GC
//获取成功
failed = false;
//返回是否被中断过
return interrupted;
}
// 判断是否需要阻塞线程，该方法中会把取消状态的节点移除掉，并且把当前节点的前一个节点设置为SIGNAL
// 判断获取失败后是否可以挂起,若可以则挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 线程若被中断,设置interrupted为true
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
}
如果当前节点的pre不是head，或者争抢失败，则会将前面节点的状态设置为SIGNAL。
如果前面的节点状态大于0，表示节点被取消，这个时候会把该节点从队列中移除掉。
下图为尝试CAS争抢锁，但失败了，然后把head节点状态设置为SIGNAL：
然后再会循环一次尝试获取锁，如果获取失败了，就调用LockSupport.park(this)挂起线程。
那么时候才会触发唤起线程呢？这个时候我们得先看看释放锁是怎么做的了。
5.5 public final boolean release(int arg)
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
public final boolean release(int arg) {
//如果成功释放锁
if (tryRelease(arg)) {
//获取头节点：（注意：这里的头节点就是当前正在释放锁的节点）
Node h = head;
//头结点存在且等待状态不是取消
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒距离头节点最近的一个非取消的节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
}
tryRelease()具体由子类实现。一般处理流程是让state减1。
如果释放锁成功，并且头节点waitStatus!=0，那么会调用unparkSuccessor()通知唤醒后续的线程节点进行处理。
注意：在遍历队列查找唤醒下一个节点的过程中，如果发现下一个节点状态是CANCELLED那么就会忽略这个节点，然后从队列尾部向前遍历，找到与头结点最近的没有被取消的节点进行唤醒操作。
唤醒之后，节点对应的线程2又从acquireQueued()方法的阻塞处醒来继续参与争抢锁。并且争抢成功了，那么会把head节点的下一个节点设置为null，让自己所处的节点变为head节点：
这样一个AQS独占式、非中断的抢占锁的流程就结束了。
5.6 完整流程
最后我们再以另一个维度的流程来演示下这个过程。
首先有4个线程争抢锁，线程1，成功了，其他三个失败了，分别依次入等待队列：
线程2、线程3依次入队列：
现在突然发生了点事情，假设线程3用的是带有超时时间的tryLock，超过了等待时间，线程3状态变为取消状态了，这个时候，线程4追加到等待队列中后，发现前一个节点的状态是1取消状态，那么会执行操作把线程3节点从队列中移除掉：
最后，线程1释放了锁，然后把head节点ws设置为0，并且找到了离head最靠近的一个waitStatus<=0的线程并唤醒，然后参与竞争获取锁：
最终，线程2获取到了锁，然后把自己变为了Head节点，并取代了原来的Head节点：
接着就一直这样循环。
六、组合大于继承原则
我们可以看到，许多同步器(比如ReentrantLock，Semaphore，CountDownLatch，ReentrantReadWriteLock)是通过委托AQS的子类Sync、FairSync或NonfairSync来调用AQS的方法，而不是直接扩展AQS，这样做可以避免ASQ中的方法污染了锁的API，破坏锁接口的简洁性。
参考： https://www.itzhai.com/articles/aqs-and-lock-implementation-in-concurrent-packages.html
标签：Node,head,中锁,AQS,队列,线程,发包,节点 From： https://blog.51cto.com/u_14014612/6031637