寫在前面
在分析 Java 併發包 java.util.concurrent 源碼的時候，少不了需要了解 AbstractQueuedSynchronizer（以下簡寫AQS）這個抽象類，因爲它是 Java 併發包的基礎工具類，是實現 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等類的基礎。
我本人在研究AQS的時候，尋找了許多資料，過程中遇到了大神的這篇文章，寫的非常清晰，內容很充實，所以我就打算引用這篇文章的內容，並在需要的地方加入我個人的觀點和理解，也就是站在大神的肩膀上學習。有興趣的可以直接前往查看原文，非常值得一看。
AQS 結構
先來看看 AQS 有哪些屬性，搞清楚這些基本就知道 AQS 是什麼套路了，畢竟可以猜嘛！
// 頭結點，你直接把它當做 當前持有鎖的線程 可能是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾節點，每個新的節點進來，都插入到最後，也就形成了一個鏈表
private transient volatile Node tail;
// 這個是最重要的，代表當前鎖的狀態，0代表沒有被佔用，大於 0 代表有線程持有當前鎖
// 這個值可以大於 1，是因爲鎖可以重入，每次重入都加上 1
private volatile int state;
// 代表當前持有獨佔鎖的線程，舉個最重要的使用例子，因爲鎖可以重入
// reentrantLock.lock()可以嵌套調用多次，所以每次用這個來判斷當前線程是否已經擁有了鎖
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //繼承自AbstractOwnableSynchronizer
怎麼樣，看樣子應該是很簡單的吧，畢竟也就四個屬性啊。AbstractQueuedSynchronizer 的等待隊列示意如下所示，注意了，之後分析過程中所說的 queue，也就是阻塞隊列不包含 head，不包含 head，不包含 head。
等待隊列中每個線程被包裝成一個 Node 實例，數據結構是鏈表，一起看看源碼吧：
static final class Node {
// 標識節點當前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
// 標識節點當前在獨佔模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;
// ======== 下面的幾個int常量是給waitStatus用的 ===========
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
// 代碼此線程取消了爭搶這個鎖
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
// 官方的描述是，其表示當前node的後繼節點對應的線程需要被喚醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
// 本文不分析condition，所以略過吧，下一篇文章會介紹這個
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
// 同樣的不分析，略過吧
static final int PROPAGATE = -3;
// =====================================================
// 取值爲上面的1、-1、-2、-3，或者0(以後會講到)
// 這麼理解，暫時只需要知道如果這個值 大於0 代表此線程取消了等待，
// ps: 半天搶不到鎖，不搶了，ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。
volatile int waitStatus;
// 前驅節點的引用
volatile Node prev;
// 後繼節點的引用
volatile Node next;
// 這個就是線程本尊
volatile Thread thread;
}
Node 的數據結構其實也挺簡單的，就是 thread + waitStatus + pre + next 四個屬性而已，大家先要有這個概念在心裏。上面的是基礎知識，後面會多次用到，心裏要時刻記着它們，心裏想着這個結構圖就可以了。下面，我們開始說 ReentrantLock 的公平鎖。再次強調，我說的阻塞隊列不包含 head 節點。首先，我們先看下 ReentrantLock 的使用方式。
// 我用個web開發中的service概念吧
public class OrderService {
// 使用static，這樣每個線程拿到的是同一把鎖，當然，spring mvc中service默認就是單例，別糾結這個
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
public void createOrder() {
// 比如我們同一時間，只允許一個線程創建訂單
reentrantLock.lock();
// 通常，lock 之後緊跟着 try 語句
try {
// 這塊代碼同一時間只能有一個線程進來(獲取到鎖的線程)，
// 其他的線程在lock()方法上阻塞，等待獲取到鎖，再進來
// 執行代碼...
// 執行代碼...
// 執行代碼...
} finally {
// 釋放鎖
reentrantLock.unlock();
}
}
}
ReentrantLock 在內部用了內部類 Sync 來管理鎖，所以真正的獲取鎖和釋放鎖是由 Sync 的實現類來控制的。
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}
Sync 有兩個實現，分別爲 NonfairSync（非公平鎖）和 FairSync（公平鎖），我們看 FairSync 部分。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
線程搶鎖
很多人肯定開始嫌棄上面廢話太多了，下面跟着代碼走，我就不廢話了。
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// 爭鎖
final void lock() {
acquire(1);
}
// 來自父類AQS，我直接貼過來這邊，下面分析的時候同樣會這樣做，不會給讀者帶來閱讀壓力
// 我們看到，這個方法，如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就結束了。
// 否則，acquireQueued方法會將線程壓到隊列中
public final void acquire(int arg) { // 此時 arg == 1
// 首先調用tryAcquire(1)一下，名字上就知道，這個只是試一試
// 因爲有可能直接就成功了呢，也就不需要進隊列排隊了，
// 對於公平鎖的語義就是：本來就沒人持有鎖，根本沒必要進隊列等待(又是掛起，又是等待被喚醒的)
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)沒有成功，這個時候需要把當前線程掛起，放到阻塞隊列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
// 嘗試直接獲取鎖，返回值是boolean，代表是否獲取到鎖
// 返回true：1.沒有線程在等待鎖；2.重入鎖，線程本來就持有鎖，也就可以理所當然可以直接獲取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// state == 0 此時此刻沒有線程持有鎖
if (c == 0) {
// 雖然此時此刻鎖是可以用的，但是這是公平鎖，既然是公平，就得講究先來後到，
// 看看有沒有別人在隊列中等了半天了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果沒有線程在等待，那就用CAS嘗試一下，成功了就獲取到鎖了，
// 不成功的話，只能說明一個問題，就在剛剛幾乎同一時刻有個線程搶先了 =_=
// 因爲剛剛還沒人的，我判斷過了
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 到這裏就是獲取到鎖了，標記一下，告訴大家，現在是我佔用了鎖
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 會進入這個else if分支，說明是重入了，需要操作：state=state+1
// 這裏不存在併發問題
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 如果到這裏，說明前面的if和else if都沒有返回true，說明沒有獲取到鎖
// 回到上面一個外層調用方法繼續看:
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
return false;
}
// 假設tryAcquire(arg) 返回false，那麼代碼將執行：
// acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，
// 這個方法，首先需要執行：addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
// 此方法的作用是把線程包裝成node，同時進入到隊列中
// 參數mode此時是Node.EXCLUSIVE，代表獨佔模式
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 以下幾行代碼想把當前node加到鏈表的最後面去，也就是進到阻塞隊列的最後
Node pred = tail;
// tail!=null => 隊列不爲空(tail==head的時候，其實隊列是空的，不過不管這個吧)
if (pred != null) {
// 將當前的隊尾節點，設置爲自己的前驅
node.prev = pred;
// 用CAS把自己設置爲隊尾, 如果成功後，tail == node 了，這個節點成爲阻塞隊列新的尾巴
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 進到這裏說明設置成功，當前node==tail, 將自己與之前的隊尾相連，
// 上面已經有 node.prev = pred，加上下面這句，也就實現了和之前的尾節點雙向連接了
pred.next = node;
// 線程入隊了，可以返回了
return node;
}
}
// 仔細看看上面的代碼，如果會到這裏，
// 說明 pred==null(隊列是空的) 或者 CAS失敗(有線程在競爭入隊)
// 讀者一定要跟上思路，如果沒有跟上，建議先不要往下讀了，往回仔細看，否則會浪費時間的
enq(node);
return node;
}
/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
// 採用自旋的方式入隊
// 之前說過，到這個方法只有兩種可能：等待隊列爲空，或者有線程競爭入隊，
// 自旋在這邊的語義是：CAS設置tail過程中，競爭一次競爭不到，我就多次競爭，總會排到的
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 之前說過，隊列爲空也會進來這裏
if (t == null) { // Must initialize
// 初始化head節點
// 細心的讀者會知道原來 head 和 tail 初始化的時候都是 null 的
// 還是一步CAS，你懂的，現在可能是很多線程同時進來呢
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 給後面用：這個時候head節點的waitStatus==0, 看new Node()構造方法就知道了
// 這個時候有了head，但是tail還是null，設置一下，
// 把tail指向head，放心，馬上就有線程要來了，到時候tail就要被搶了
// 注意：這裏只是設置了tail=head，這裏可沒return哦，沒有return，沒有return
// 所以，設置完了以後，繼續for循環，下次就到下面的else分支了
tail = head;
} else {
// 下面幾行，和上一個方法 addWaiter 是一樣的，
// 只是這個套在無限循環裏，反正就是將當前線程排到隊尾，有線程競爭的話排不上重複排
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
// 現在，又回到這段代碼了
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
// 下面這個方法，參數node，經過addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，此時已經進入阻塞隊列
// 注意一下：如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的話，
// 意味着上面這段代碼將進入selfInterrupt()，所以正常情況下，下面應該返回false
// 這個方法非常重要，應該說真正的線程掛起，然後被喚醒後去獲取鎖，都在這個方法裏了
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// p == head 說明當前節點雖然進到了阻塞隊列，但是是阻塞隊列的第一個，因爲它的前驅是head
// 注意，阻塞隊列不包含head節點，head一般指的是佔有鎖的線程，head後面的才稱爲阻塞隊列
// 所以當前節點可以去試搶一下鎖
// 這裏我們說一下，爲什麼可以去試試：
// 首先，它是隊頭，這個是第一個條件，其次，當前的head有可能是剛剛初始化的node，
// enq(node) 方法裏面有提到，head是延時初始化的，而且new Node()的時候沒有設置任何線程
// 也就是說，當前的head不屬於任何一個線程，所以作爲隊頭，可以去試一試，
// tryAcquire已經分析過了, 忘記了請往前看一下，就是簡單用CAS試操作一下state
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 到這裏，說明上面的if分支沒有成功，要麼當前node本來就不是隊頭，
// 要麼就是tryAcquire(arg)沒有搶贏別人，繼續往下看
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
// 什麼時候 failed 會爲 true???
// tryAcquire() 方法拋異常的情況
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* Checks and updates status for a node that failed to acquire.
* Returns true if thread should block. This is the main signal
* control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev
*
* @param pred node's predecessor holding status
* @param node the node
* @return {@code true} if thread should block
*/
// 剛剛說過，會到這裏就是沒有搶到鎖唄，這個方法說的是："當前線程沒有搶到鎖，是否需要掛起當前線程？"
// 第一個參數是前驅節點，第二個參數纔是代表當前線程的節點
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 前驅節點的 waitStatus == -1 ，說明前驅節點狀態正常，當前線程需要掛起，直接可以返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
// 前驅節點 waitStatus大於0 ，之前說過，大於0 說明前驅節點取消了排隊。
// 這裏需要知道這點：進入阻塞隊列排隊的線程會被掛起，而喚醒的操作是由前驅節點完成的。
// 所以下面這塊代碼說的是將當前節點的prev指向waitStatus<=0的節點，
// 簡單說，就是爲了找個好爹，因爲你還得依賴它來喚醒呢，如果前驅節點取消了排隊，
// 找前驅節點的前驅節點做爹，往前遍歷總能找到一個好爹的
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
// 仔細想想，如果進入到這個分支意味着什麼
// 前驅節點的waitStatus不等於-1和1，那也就是隻可能是0，-2，-3
// 在我們前面的源碼中，都沒有看到有設置waitStatus的，所以每個新的node入隊時，waitStatu都是0
// 正常情況下，前驅節點是之前的 tail，那麼它的 waitStatus 應該是 0
// 用CAS將前驅節點的waitStatus設置爲Node.SIGNAL(也就是-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
// 這個方法返回 false，那麼會再走一次 for 循序，
// 然後再次進來此方法，此時會從第一個分支返回 true
return false;
}
// private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
// 這個方法結束根據返回值我們簡單分析下：
// 如果返回true, 說明前驅節點的waitStatus==-1，是正常情況，那麼當前線程需要被掛起，等待以後被喚醒
// 我們也說過，以後是被前驅節點喚醒，就等着前驅節點拿到鎖，然後釋放鎖的時候叫你好了
// 如果返回false, 說明當前不需要被掛起，爲什麼呢？往後看
// 跳回到前面是這個方法
// if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// parkAndCheckInterrupt())
// interrupted = true;
// 1. 如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true，
// 那麼需要執行parkAndCheckInterrupt():
// 這個方法很簡單，因爲前面返回true，所以需要掛起線程，這個方法就是負責掛起線程的
// 這裏用了LockSupport.park(this)來掛起線程，然後就停在這裏了，等待被喚醒=======
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
// 2. 接下來說說如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的情況
// 仔細看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)，我們可以發現，其實第一次進來的時候，一般都不會返回true的，原因很簡單，前驅節點的waitStatus=-1是依賴於後繼節點設置的。也就是說，我都還沒給前驅設置-1呢，怎麼可能是true呢，但是要看到，這個方法是套在循環裏的，所以第二次進來的時候狀態就是-1了。
// 解釋下爲什麼shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的時候不直接掛起線程：
// => 是爲了應對在經過這個方法後，node已經是head的直接後繼節點了。剩下的讀者自己想想吧。
}
說到這裏，也就明白了，多看幾遍 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) 這個方法吧。自己推演下各個分支怎麼走，哪種情況下會發生什麼，走到哪裏。
解鎖操作
最後，就是還需要介紹下喚醒的動作了。我們知道，正常情況下，如果線程沒獲取到鎖，線程會被 LockSupport.park(this); 掛起停止，等待被喚醒。
// 喚醒的代碼還是比較簡單的，你如果上面加鎖的都看懂了，下面都不需要看就知道怎麼回事了
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 往後看吧
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否完全釋放鎖
boolean free = false;
// 其實就是重入的問題，如果c==0，也就是說沒有嵌套鎖了，可以釋放了，否則還不能釋放掉
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
/**
* Wakes up node's successor, if one exists.
*
* @param node the node
*/
// 喚醒後繼節點
// 從上面調用處知道，參數node是head頭結點
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
// 如果head節點當前waitStatus<0, 將其修改爲0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
// 下面的代碼就是喚醒後繼節點，但是有可能後繼節點取消了等待（waitStatus==1）
// 從隊尾往前找，找到waitStatus<=0的所有節點中排在最前面的
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 從後往前找，仔細看代碼，不必擔心中間有節點取消(waitStatus==1)的情況
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 喚醒線程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
喚醒線程以後，被喚醒的線程將從以下代碼中繼續往前走：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 剛剛線程被掛起在這裏了
return Thread.interrupted();
}
// 又回到這個方法了：acquireQueued(final Node node, int arg)，這個時候，node的前驅是head了
好了，後面就不分析源碼了，剩下的還有問題自己去仔細看看代碼吧。
總結
在併發環境下，加鎖和解鎖需要以下三個部件的協調：
- 鎖狀態。我們要知道鎖是不是被別的線程佔有了，這個就是 state 的作用，它爲 0 的時候代表沒有線程佔有鎖，可以去爭搶這個鎖，用 CAS 將 state 設爲 1，如果 CAS 成功，說明搶到了鎖，這樣其他線程就搶不到了，如果鎖重入的話，state進行 +1 就可以，解鎖就是減 1，直到 state 又變爲 0，代表釋放鎖，所以 lock() 和 unlock() 必須要配對啊。然後喚醒等待隊列中的第一個線程，讓其來佔有鎖。
- 線程的阻塞和解除阻塞。AQS 中採用了
LockSupport.park(thread)來掛起線程，用 unpark 來喚醒線程。 - 阻塞隊列。因爲爭搶鎖的線程可能很多，但是隻能有一個線程拿到鎖，其他的線程都必須等待，這個時候就需要一個 queue 來管理這些線程，AQS 用的是一個 FIFO 的隊列，就是一個鏈表，每個 node 都持有後繼節點的引用。AQS 採用了 CLH 鎖的變體來實現，感興趣的讀者可以參考這篇文章關於CLH的介紹，寫得簡單明瞭。
示例圖解析
下面屬於回顧環節，用簡單的示例來說一遍，如果上面的有些東西沒看懂，這裏還有一次幫助你理解的機會。首先，第一個線程調用 reentrantLock.lock()，翻到最前面可以發現，tryAcquire(1) 直接就返回 true 了，結束。只是設置了 state=1，連 head 都沒有初始化，更談不上什麼阻塞隊列了。要是線程 1 調用 unlock() 了，纔有線程 2 來，那世界就太太太平了，完全沒有交集嘛，那我還要 AQS 幹嘛。
如果線程 1 沒有調用 unlock() 之前，線程 2 調用了 lock()，想想會發生什麼？線程 2 會初始化 head【new Node()】，同時線程 2 也會插入到阻塞隊列並掛起 (注意看這裏是一個 for 循環，而且設置 head 和 tail 的部分是不 return 的，只有入隊成功纔會跳出循環)
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;
}
}
}
}
首先，是線程 2 初始化 head 節點，此時 head==tail, waitStatus==0
然後線程 2 入隊：
同時我們也要看此時節點的 waitStatus，我們知道 head 節點是線程 2 初始化的，此時的 waitStatus 沒有設置， java 默認會設置爲 0，但是到 shouldParkAfterFailedAcquire 這個方法的時候，線程 2 會把前驅節點，也就是 head 的waitStatus設置爲 -1。
那線程 2 節點此時的 waitStatus 是多少呢，由於沒有設置，所以是 0；如果線程 3 此時再進來，直接插到線程 2 的後面就可以了，此時線程 3 的 waitStatus 是 0，到 shouldParkAfterFailedAcquire 方法的時候把前驅節點線程 2 的 waitStatus 設置爲 -1。
這裏可以簡單說下 waitStatus 中 SIGNAL(-1) 狀態的意思，Doug Lea 註釋的是：代表後繼節點需要被喚醒。也就是說這個 waitStatus 其實代表的不是自己的狀態，而是後繼節點的狀態，我們知道，每個 node 在入隊的時候，都會把前驅節點的狀態改爲 SIGNAL，然後阻塞，等待被前驅喚醒。這裏涉及的是兩個問題：有線程取消了排隊、喚醒操作。其實本質是一樣的，讀者也可以順着 “waitStatus代表後繼節點的狀態” 這種思路去看一遍源碼。