苍穹之边，浩瀚之挚，眰恦之美； 悟心悟性，善始善终，惟善惟道！ —— 朝槿《朝槿兮年说》

写在开头

在并发编程领域，有两大核心问题：一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、协作。
主要原因是，对于多线程实现实现并发，一直以来，多线程都存在2个问题：

• 线程之间内存共享，需要通过加锁进行控制，但是加锁会导致性能下降，同时复杂的加锁机制也会增加编程编码难度
• 过多线程造成线程之间的上下文切换，导致效率低下

因此，在并发编程领域中，一直有一个很重要的设计原则： “ 不要通过内存共享来实现通信，而应该通过通信来实现内存共享。”
简单来说，就是尽可能通过消息通信，而不是内存共享来实现进程或者线程之间的同步。

关健术语

本文用到的一些关键词语以及常用术语，主要如下：

• 并发(Concurrent): 在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行。
• 并行(Parallel): 当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行。
• 信号量(Semaphore):  是在多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用，也是作系统用来解决并发中的互斥和同步问题的一种方法。
• 信号量机制(Semaphores)： 用来解决同步/互斥的问题的，它是1965年,荷兰学者 Dijkstra提出了一种卓有成效的实现进程互斥与同步的方法。
• 管程(Monitor) :  一般是指管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让它们支持并发的一种机制。
• 互斥(Mutual Exclusion)：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。即就是同一时刻只允许一个线程访问共享资源的问题。
• 同步(Synchronization)：两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。即就是线程之间如何通信、协作的问题。
• 对象池(Object Pool): 指的是一次性创建出 N 个对象，之后所有的线程重复利用这 N 个对象，当然对象在被释放前，也是不允许其他线程使用的, 一般指保存实例对象的容器。

基本概述

在Java领域中，我们可以将锁大致分为基于Java语法层面(关键词)实现的锁和基于JDK层面实现的锁。

在Java领域中, 尤其是在并发编程领域，对于多线程并发执行一直有两大核心问题：同步和互斥。其中：

• 互斥(Mutual Exclusion)：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。即就是同一时刻只允许一个线程访问共享资源的问题。
• 同步(Synchronization)：两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。即就是线程之间如何通信、协作的问题。

针对对于这两大核心问题，利用管程是能够解决和实现的，因此可以说，管程是并发编程的万能钥匙。
虽然，Java在基于语法层面(synchronized 关键字)实现了对管程技术,但是从使用方式和性能上来说，内置锁(synchronized 关键字)的粒度相对过大，不支持超时和中断等问题。
为了弥补这些问题，从JDK层面对其“重复造轮子”，在JDK内部对其重新设计和定义，甚至实现了新的特性。
在Java领域中，从JDK源码分析来看，基于JDK层面实现的锁大致主要可以分为以下4种方式：

• 基于Lock接口实现的锁：JDK1.5版本提供的ReentrantLock类
• 基于ReadWriteLock接口实现的锁：JDK1.5版本提供的ReentrantReadWriteLock类
• 基于AQS基础同步器实现的锁：JDK1.5版本提供的并发相关的同步器Semaphore，CyclicBarrier以及CountDownLatch等�
• 基于自定义API操作实现的锁：JDK1.8版本中提供的StampedLock类

从阅读源码不难发现，在Java SDK 并发包主要通过AbstractQueuedSynchronizer(AQS)实现多线程同步机制的封装与定义，而通过Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

一.AQS基础同步器基本理论

在Java领域中,同步器是专门为多线程并发设计的同步机制，主要是多线程并发执行时线程之间通过某种共享状态来实现同步，只有当状态满足这种条件时线程才往下执行的一种同步机制。

一个标准的AQS同步器主要有同步状态机制，等待队列，条件队列，独占模式，共享模式等五大核心要素组成。
在Java领域中，JDK的JUC(java.util.concurrent.)包中提供了各种并发工具，但是大部分同步工具的实现基于AbstractQueuedSynchronizer类实现，其内部结构主要如下：

• 同步状态机制(Synchronization Status)：主要用于实现锁(Lock)机制，是指同步状态，其要求对于状态的更新必须原子性的
• 等待队列(Wait Queue)：主要用于存放等待线程获取到的锁资源，并且把线程维护到一个Node(节点)里面和维护一个非阻塞的CHL Node FIFO(先进先出)队列，主要是采用自旋锁+CAS操作来保证节点插入和移除的原子性操作。
• 条件队列(Condition Queue)：用于实现锁的条件机制，一般主要是指替换“等待-通知”工作机制，主要是通过ConditionObject对象实现Condition接口提供的方法实现。
• 独占模式(Exclusive Mode)：主要用于实现独占锁，主要是基于静态内部类Node的常量标志EXCLUSIVE来标识该节点是独占模式
• 共享模式(Shared Mode)：主要用于实现共享锁，主要是基于静态内部类Node的常量标志SHARED来标识该节点是共享模式

我们可以得到一个比较通用的并发同步工具基础模型，大致包含如下几个内容，其中：

• 条件变量(Conditional Variable)： 利用线程间共享的变量进行同步的一种工作机制
• 共享变量((Shared Variable))：一般指对象实体对象的成员变量和属性
• 阻塞队列(Blocking Queue)：共享变量(Shared Variable)及其对共享变量的操作统一封装
• 等待队列(Wait Queue)：每个条件变量都对应有一个等待队列(Wait Queue),内部需要实现入队操作(Enqueue)和出队操作(Dequeue)方法
• 变量状态描述机(Synchronization Status)：描述条件变量和共享变量之间状态变化，又可以称其为同步状态
• 工作模式(Operation Mode)： 线程资源具有排他性，因此定义独占模式和共享模式两种工作模式

综上所述，条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题；共享变量与阻塞队列的作用是解决线程之间的互斥问题。

二. JDK显式锁统一概念模型

在并发编程领域，有两大核心问题：一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、协作。

综合Java领域中的并发锁的各种实现与应用分析来看，一把锁或者一种锁，基本上都会包含以下几个方面：

• 锁的同步器工作机制：主要是考虑共享模式还是独享模式，是否支持超时机制，以及是否支持超时机制？
• 锁的同步器工作模式：主要是基于AQS基础同步器封装内部同步器，是否考虑公平/非公平模式？
• 锁的状态变量机制： 主要锁的状态设置，是否共享状态变量？
• 锁的队列封装定义：主要是指等待队列和条件队列，是否需要条件队列或者等待队列定义？
• 锁的底层实现操作： 主要是指底层CL锁和CAS操作，是否需要考虑自旋锁或者CAS操作实例对象方法？
• 锁的组合实现新锁： 主要是基于独占锁和共享锁，是否考虑对应API自定义操作实现？

综上所述，大致可以根据上述这些方向，我们便可以清楚