AQS（ReentrantLock）源码浅析

管程 — Java同步的设计思想

管程：指的是管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让他们支持并发。
互斥：同一时刻只允许一个线程访问共享资源；
同步：线程之间如何通信、协作。

MESA模型

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。AQS便是对MESA的经典实现。

管程中引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题。

AQS原理分析

什么是AQS

java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）实现的，AQS是一个抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的同步器。
JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS框架来实现的

• 一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
• 将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法

AQS具备哪些特性？

• 阻塞等待队列
• 共享/独占
• 公平/非公平
• 可重入
• 允许中断

AQS两种队列

• 同步等待队列： 主要用于维护获取锁失败时入队的线程。
• 条件等待队列： 调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁。

AQS队列中的节点包含5种状态

1. 值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
2. CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消（如因超时、中断等原因放弃等待锁）；
3. SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark；
4. CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队中；
5. PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；

ReentrantLock为独占锁，同一时刻只有一个线程能持有锁，释放锁时，只需唤醒同步队列中的下一个有效节点（通过 unparkSuccessor()），无需传播唤醒信号，因此不存在PROPAGATE。

同步等待队列

AQS当中的同步等待队列也称CLH队列，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先进先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种，线程由原自旋机制改为阻塞机制。
AQS 依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理：

• 当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程
• 当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。
• 通过signal或signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列。（由条件队列转化为同步队列）

条件等待队列

AQS中条件队列是使用单向列表保存的，用nextWaiter来连接:

• 调用await方法阻塞线程；
• 当前线程存在于同步队列的头结点，调用await方法进行阻塞（从同步队列转化到条件队列）

public class ConditionDemo {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private static final Condition condition = lock.newCondition();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {lock.lock();try {// 让线程在condition上一直等待下去condition.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}, "t1").start();new Thread(() -> {lock.lock();try {// 让线程在condition上一直等待下去condition.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}, "t2").start();// 主线程两秒后执行Thread.sleep(2000);log.debug("准备获取锁，去唤醒 condition上阻塞的线程");lock.lock();try {// 唤醒condition上所有阻塞的线程condition.signalAll();log.debug("唤醒condition上阻塞的线程");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}
}

结合ReentrantLock浅析AQS源码

重入锁默认使用非公平锁，以下以公平锁为例解析流程

一、加锁

final void lock() {  //通过CAS设置state，成功则当前线程独占锁资源if (compareAndSetState(0, 1))  setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());  else   acquire(1);  
}

二、尝试获取锁，失败则加入同步等待队列

public final void acquire(int arg) {  if (!tryAcquire(arg) &&  acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))  selfInterrupt();  
}

三、公平锁：尝试获取锁。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  final Thread current = Thread.currentThread();  int c = getState();  if (c == 0) {  //需要遵循先来后到，存在前继节点则不参与竞争if (!hasQueuedPredecessors() &&  compareAndSetState(0, acquires)) {  setExclusiveOwnerThread(current);  return true;        }  }  //当前线程独占锁，重入次数增加else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {  int nextc = c + acquires;  if (nextc < 0)  throw new Error("Maximum lock count exceeded");  setState(nextc);  return true;    }  return false;  
}

四、尾插节点，以及节点状态变更逻辑

private Node addWaiter(Node mode) {  //当前线程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) {  //尾插到链表末端，并cas设置新的tailnode.prev = pred;  if (compareAndSetTail(pred, node)) {  pred.next = node;  return node;  }  }  //自旋+cas重复上面的尾插enq(node);  return node;  
}
//核心接口
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {  boolean failed = true;  try {  boolean interrupted = false;  for (;;) {  final Node p = node.predecessor();  //node前继节点为头节点，则再次尝试获取锁if (p == head && tryAcquire(arg)) {//获取锁成功，设置node为头节点  setHead(node);  p.next = null; // help GC  failed = false;  return interrupted;  }  //检查更新前继节点状态(p.waitStatus)，返回true阻塞当前nodeif (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&  parkAndCheckInterrupt())  interrupted = true;  }  } finally {  if (failed)  cancelAcquire(node);  }  
}//在整个acquire流程中，此方法是主要的控制waitStatus的地方private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {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) {//跳过cancel状态的nodedo {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);pred.next = node;} else {//前继节点为0或PROPAGATE,通过CAS设置为-1compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;}

AQS中的核心关注点

公平和非公平锁，可重入锁是如何实现的

公平锁与非公平锁主要体现在锁竞争的机制上，下面对比两者的核心代码：
公平锁：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  final Thread current = Thread.currentThread();  int c = getState();  if (c == 0) {  //需要遵循先来后到，存在前继节点则不参与竞争if (!hasQueuedPredecessors() &&  compareAndSetState(0, acquires)) {  setExclusiveOwnerThread(current);  return true;        }  }  //重入锁实现else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {  //当前线程独占锁，重入次数增加int nextc = c + acquires;  if (nextc < 0)  throw new Error("Maximum lock count exceeded");  setState(nextc);  return true;    }  return false;  
}

非公平锁：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {  final Thread current = Thread.currentThread();  int c = getState();  if (c == 0) {//其他线程释放了锁，CAS设置state  if (compareAndSetState(0, acquires)) {  setExclusiveOwnerThread(current);  return true;        }  }  //重入锁实现else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {  //当前线程独占锁，重入次数增加int nextc = c + acquires;  if (nextc < 0) // overflow  throw new Error("Maximum lock count exceeded");  setState(nextc);  return true;   } //获取锁失败 return false;  
}

区别很明显：公平锁竞争需要排队，而非公平锁可直接参与竞争
重入锁的实现：判断获取了锁的线程就是当前线程，则state+1，否则失败
注意：获取锁失败进入等待队列之后，公平锁与非公平锁是一样的