概述
在多线程程序中，往往存在对共享资源的竞争访问，为了对共享资源进行保护，需要使用一些同步工具，比如 synchronized、ReentrantLock、Semaphore、ReentrantReadWriteLock等，后三种都是在同步框架 AQS（即 AbstractQueuedSynchronizer）的基础上构建的。
下面这段话来自 AQS 的代码文档，描述了其设计意图：提供一个框架用于实现依赖先进先出 FIFO 等待队列的阻塞锁和相关同步器。
Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues.
下面我们重点分析一下同步框架 AQS 的实现原理和用法。
实现
一个同步器有两个基本功能：获取同步器、释放同步器。AQS 提供了多种锁模式：
独占、共享
可中断、不可中断
带超时时间的
设计模式
AQS 采用了标准的模版方法设计模式，对外提供的是以下的方法：
// 独占模式 public final void acquire(int arg); public final boolean release(int arg); // 独占可中断 public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException; // 独占带超时时间的 public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout); // 共享模式 public final void acquireShared(int arg); public final boolean releaseShared(int arg); // 共享可中断 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException; // 共享带超时时间 public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException;
这些方法上都带了 final 关键字，也就是说不允许重写，那么哪些方法可以重写呢？
//独占模式protected boolean tryAcquire(int arg);protected boolean tryRelease(int arg);//共享模式protected int tryAcquireShared(int arg);protected boolean tryReleaseShared(int arg);//是否是独占模式protected boolean isHeldExclusively()；
这些模版方法在代码中起什么作用呢？请看他们的调用方，在 acquire 方法中，当 tryAcquire 返回 true 则表示已经获得了锁，否则先 addWaiter 进入等待队列，再 acquireQueued 等候获取锁。acquireInterruptibly 也是类似的，区别只是对中断的处理不同。
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
} public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}以 acquire 为例，真正的排队阻塞等待锁是在 addWaiter 和 acquireQueued 中，那么 tryAcquire 方法需要做什么事儿呢？我们先看一下 ReentrantLock 中公平锁 FairSync 和非公平锁 NonfairSync 的实现：
// 公平锁
static final class FairSync extends Sync { // omit a lot
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current); return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); return true;
} return false;
}
} // 非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync { // omit a lot
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires);
}
} abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // omit a lot
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;
}
}公平锁的 tryAcquire 方法所做事情大致如下：
检查了锁的状态，如果锁不被任何线程占用，且没有等待中的线程，则尝试用 CAS 设置状态，成功则 setExclusiveOwnerThread 设置占用锁的线程为当前线程。
如果当前线程已经占有了该锁，则 setState 更新更新重入次数。
上述两条都失败，则表示无法立即获得锁，返回 false。
非公平锁的 tryAcquire 也大致一样，只是缺少判断是否有等待中的线程，而是尽最大努力去获取锁。他们的共同点是更新锁状态 state，设置当前占用锁的线程 setExclusiveOwnerThread，其中最关键的是更新锁状态 state。
值得注意的是，为何 tryAcquire 这些方法不是抽象方法，而是提供了一个默认的抛异常的方法呢？因为 AQS 中包含多种模式，而实际使用者一般只需要一种，如果不提供默认拒绝的实现，那就需要使用方去手动覆盖，反而显得啰嗦了。
// in AQS
protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException();
} protected int tryAcquireShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException();
}CHL 队列
在 AQS 中，提供了一个基于 CHL 队列的先进先出的阻塞锁。CHL 队列的入队出队操作是不需要加锁的，只是在入队成功后等待资源释放时会阻塞。在Java锁的种类以及辨析（二）：自旋锁的其他种类里也提到了一种基于自旋的 CHL 锁。
CHL 队列本质上就是一个基于 CAS 实现的双向链表，其实也算“无锁队列”了，其节点 Node 如下所示：
static final class Node { volatile int waitStatus; // 节点状态
volatile Node prev; // 前置节点
volatile Node next; // 后置节点
volatile Thread thread; // 所属线程
Node nextWaiter; // 可以用于标记独占 OR 共享模式，也可以用来记录等待条件变量的下一个节点
}当 nextWaiter 用于标记独占或共享时，其值可以为：
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */static final Node SHARED = new Node();/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */static final Node EXCLUSIVE = null;
waitStatus 的值可以有以下几种：
static final int CANCELLED = 1;/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */static final int SIGNAL = -1;/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */static final int CONDITION = -2;/** * waitStatus value to indicate the next acquireShared should * unconditionally propagate */static final int PROPAGATE = -3;
入队
CHL 队列的入队操作间 addWaiter 方法，入队采用 CAS 自旋重试，总是添加到尾节点：
// 尾节点
private transient volatile Node head; // 头节点
private transient volatile Node tail; private Node addWaiter(Node mode) {
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) {
node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node; return node;
}
}
enq(node); return node;
} private Node enq(final Node node) { for (;;) {
Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node; return t;
}
}
}
}出队
如果当前节点的前任节点是头节点，则尝试获得锁，成功则出队，并且返回。下面代码的第 8-11 行为出队操作，所做事情为：把本节点 node 置为头节点，并且把新旧头节点直接的关联字段置空（新节点 prev 和旧节点 next）。
注：旧头节点置空是为了什么呢？已经无用的 Node 能够被 GC 回收掉。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false; return interrupted;
} if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally { if (failed)
cancelAcquire(node);
}
} private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}AQS 之 ConditionObject
在 AQS 中，还有一个 ConditionObject 类，顾名思义是一个条件变量，提供了类似于 Object wait/notify 的机制。
ConditionObject 实现了 Condition 接口，提供了多种条件变量等待接口：可中断、不可中断、超时机制，以及两种唤醒机制：单个、全部。
public interface Condition {
// 在条件变量上等待
void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
// 唤醒
void signal();
void signalAll();
}await
await 方法类似于 Object#wait 方法，调用之前需要先获得锁。
public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 将当前线程添加到条件队列里
Node node = addConditionWaiter(); // 是否锁资源，也就是说调用 await 之前要先获得锁
int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; // 循环阻塞等待，直到被中断，或进入 AQS 锁的同步队列
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break;
} // signal 之后，进入同步队列，再通过 acquireQueued 竞争锁
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters(); // 中断处理
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}signal
signal 方法类似于 Object#notify 方法，主要功能是唤醒下一个等待中的线程。
public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter; if (first != null)
doSignal(first);
} // 唤醒一个节点
private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
} final boolean transferForSignal(Node node) { if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false;
Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; // 唤醒该节点
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread); return true;
}用法
ConditionObject 常用在各种队列的实现中，比如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、DelayQueue等，这里我们以 ArrayBlockingQueue 为例学习一下其用法。
请看下面 ArrayBlockingQueue 的代码里锁和条件变量的用法，条件变量是跟锁绑定的，这里一个锁对应多个条件变量：队列非空、队列非满。
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable { /** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock; /** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty; /** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull; public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
}在向队列中存放元素时：
获得锁
如果队列满，则调用 notFull.await() 等待
队列不满时，则插入数据，并且向 notEmpty 条件变量发 signal 信号
解锁
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length)
notFull.await();
insert(e);
} finally {
lock.unlock();
}
} private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}在从队列里取元素时：
加锁
如果队列空，则调用 notEmpty.await() 等待
队列非空，则取数据，并且向 notFull 条件变量发送 signal 信号
解锁
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0)
notEmpty.await(); return extract();
} finally {
lock.unlock();
}
} private E extract() { final Object[] items = this.items;
E x = this.<E>cast(items[takeIndex]);
items[takeIndex] = null;
takeIndex = inc(takeIndex);
--count;
notFull.signal(); return x;
}总结
AQS 框架提供了先进先出的阻塞锁实现，在此基础上，提供了独占和共享等多种模式供使用方实现。除此之外，还提供了一个条件变量的实现。
锁是一种线程同步机制，用于保护对临界资源的访问。条件变量提供了一个“等待 - 唤醒”的机制，在阻塞队列里起到了生产者和消费者之间的通信的作用。
作者：albon
链接：https://www.jianshu.com/p/2df967e50873
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