10分钟从源码级别搞懂AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

前言

上篇文章15000字、6个代码案例、5个原理图让你彻底搞懂Synchronized有说到synchronized由object monitor实现的

object monitor中由cxq栈和entry list来实现阻塞队列，wait set实现等待队列，从而实现synchronized的等待/通知模式

而JDK中的JUC并发包也通过类似的阻塞队列和等待队列实现等待/通知模式

这篇文章就来讲讲JUC的基石AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

需要了解的前置知识：CAS、volatile

如果不了解CAS可以看上篇讲述synchronized的文章（链接在上面）

如果不了解volatile可以看这篇文章 5个案例和流程图让你从0到1搞懂volatile关键字

本篇文章以AQS为中心，深入浅出描述AQS中的数据结构、设计以及获取、释放同步状态的源码流程、Condition等

观看本文大约需要10分钟，可以带着几个问题去观看

  1. 什么是AQS，它是干啥用的？
  2. AQS是使用什么数据结构实现的？
  3. AQS获取/释放同步状态是如何实现的？
  4. AQS除了具有synchronized的功能还拥有什么其他特性？
  5. AQS如何去实现非公平锁、公平锁？
  6. 什么是Condition？它跟AQS是什么关系？

AQS数据结构

什么是AQS呢？

AQS是一个同步队列（阻塞队列），是并发包中的基础，很多并发包中的同步组件底层都使用AQS来实现，比如：ReentrantLock、读写锁、信号量等等…

AQS有三个重要的字段，分别是: head 头节点、tail 尾节点、state 同步状态

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer  extends AbstractOwnableSynchronizer  implements java.io.Serializable {  //头节点  private transient volatile Node head;    //尾节点  private transient volatile Node tail;  //同步状态  private volatile int state;  }

头尾节点很好理解，因为AQS本身就是个双向链表，那么state同步状态是什么？

AQS中使用同步状态表示资源，然后使用CAS来获取/释放资源，比如设置资源为1，一个线程来尝试获取资源，由于同步状态目前为1，于是该线程CAS替换同步状态为0，成功后表示获取到资源，之后其他线程再来获取资源就无法获取了（状态为0），直到获取资源的线程来释放资源

上述获取/释放资源也可以理解成获取/释放锁

同时三个字段都被volatile修饰，用volatile来保证内存可见性，防止其他线程修改这些数据时当前线程无法感知

通过上面的描述，我们可以知道AQS大概长这样

当某个线程获取资源失败时，会被构建成节点加入AQS中

节点Node是AQS中的内部类，Node中有些重要的字段一起来看看

static final class Node {      //节点状态    volatile int waitStatus;         //前驱节点    volatile Node prev;​      //后继节点    volatile Node next;               //当前节点所代表的线程    volatile Thread thread;​       //等待队列使用时的后继节点指针    Node nextWaiter;}

prev、next、thread应该都好理解

AQS同步队列和等待队列都使用这种节点，当等待队列节点被唤醒出队时，方便加入同步队列

nextWaiter就是用于节点在等待队列中指向下一个节点

waitStatus表示节点的状态

状态说明
INITIAL0 初始状态
CANCELLED1 该节点对应的线程取消调度
SIGNAL-1 该节点对应的线程阻塞，等待唤醒竞争资源
CONDITION-2 该节点在等待（条件）队列中，等待唤醒后从等待队列出队进入同步队列竞争
PROPAGATE-3 共享情况下，会唤醒后续所有共享节点

不太理解状态不要紧，我们后文遇到再说

经过上面的描述，节点大概是长成这样的

AQS中还有另外一个内部类ConditionObject用于实现等待队列/条件队列，我们后文再来说说

AQS中可以分为独占、共享模式，其中这两种模式下还可以支持响应中断、纳秒级别超时

独占模式可以理解为同一时间只有一个线程能够获取同步状态

共享模式可以理解为可以有多个线程能够获取同步状态，方法中常用shared标识

方法中常用acquire标识获取同步状态，release标识释放同步状态

这些方法都是模板方法，规定流程，将具体的实现留给实现类去做（比如获取同步状态，该如何获取交给实现类去实现）

独占式

独占式实际就是时刻上只允许一个线程独占该资源，多线程竞争情况下也只能有一个线程获取同步状态成功

获取同步状态

不响应中断的独占获取和响应中断、超时的类似，我们以acquire为例查看源码

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

tryAcquire 方法用于尝试获取同步状态，参数arg表示获取多少同步状态，获取成功返回true 则会退出方法，留给实现类去实现

addWaiter

addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 构建独占式节点，并用CAS+失败重试的方式加入AQS的末尾

    private Node addWaiter(Node mode) {    //构建节点    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);    //尾节点不为空则CAS替换尾节点    Node pred = tail;    if (pred != null) {      node.prev = pred;      if (compareAndSetTail(pred, node)) {        pred.next = node;        return node;       }     }    //尾节点为空或则CAS失败执行enq    enq(node);    return node;   }
  private Node enq(final Node node) {    //失败重试    for (;;) {      Node t = tail;      //没有尾节点 则CAS设置头节点（头尾节点为一个节点），否则CAS设置尾节点      if (t == null) { // Must initialize        if (compareAndSetHead(new Node()))          tail = head;       } else {        node.prev = t;        if (compareAndSetTail(t, node)) {          t.next = node;          return t;         }       }     }   }

enq方法主要以自旋（中途不会进入等待模式）去CAS设置尾节点，如果AQS中没有节点则头尾节点为同一节点

由于添加到尾节点存在竞争，因此需要用CAS去替换尾节点

acquireQueued

acquireQueued方法主要用于AQS队列中的节点来自旋获取同步状态，在这个自旋中并不是一直执行的，而是会被park进入等待

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {  //记录是否失败  boolean failed = true;  try {    //记录是否中断过    boolean interrupted = false;    //失败重试     for (;;) {      //p 前驱节点      final Node p = node.predecessor();      //如果前驱节点为头节点，并尝试获取同步状态成功则返回      if (p == head && tryAcquire(arg)) {        //设置头节点        setHead(node);        p.next = null; // help GC        failed = false;        return interrupted;       }      //失败则设置下标记然后进入等待检查中断      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&        parkAndCheckInterrupt())        interrupted = true;     }   } finally {    //如果失败则取消获取    if (failed)      cancelAcquire(node);   }}

在尝试获取同步状态前有个条件p == head && tryAcquire(arg)：前驱节点是头节点

因此AQS中的节点获取状态是FIFO的

但即使满足前驱节点是头节点，并不一定就能获取同步状态成功，因为还未加入AQS的线程也可能尝试获取同步状态，以此来实现非公平锁

那如何实现公平锁呢？

在尝试获取同步状态前都加上这个条件就行了呗！

再来看看shouldParkAfterFailedAcquire 获取同步状态失败后应该停放

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {  //前驱节点状态  int ws = pred.waitStatus;  if (ws == Node.SIGNAL)    //前驱节点状态是SIGNAL 说明前驱释放同步状态回来唤醒 直接返回    return true;  if (ws > 0) {    //如果前驱状态大于0 说明被取消了,就一直往前找,找到没被取消的节点    do {      node.prev = pred = pred.prev;     } while (pred.waitStatus > 0);    //排在没被取消的节点后面    pred.next = node;   } else {    //前驱没被取消,而且状态不是SIGNAL CAS将状态更新为SIGNAL,释放同步状态要来唤醒    compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);   }  return false;}

实际上是park前的一些准备

再来看看 parkAndCheckInterrupt ，用工具类进入等待状态，被唤醒后检查是否中断

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {    //线程进入等待状态...     LockSupport.park(this);     //检查是否中断 (会清除中断标记位)    return Thread.interrupted();}

在acquireQueued的中如果未获取同步状态并且抛出异常，最终会执行cancelAcquire取消

当感知到中断时返回true回去，来到第一层acquire方法执行selfInterrupt方法，自己中断线程

acquire流程图：

  1. 先尝试获取同步状态失败则CAS+失败重试添加到AQS末尾
  1. 前驱节点为头节点且获取同步状态成功则返回，否则进入等待状态等待唤醒，唤醒后重试
  1. 在2期间发生异常取消当前节点

释放同步状态

先进行释放同步状态，成功后头节点状态不为0 唤醒下一个状态不是被取消的节点

public final boolean release(int arg) {  //释放同步状态  if (tryRelease(arg)) {    Node h = head;    if (h != null && h.waitStatus != 0)      //唤醒下一个状态不大于0（大于0就是取消）的节点      unparkSuccessor(h);    return true;   }  return false;}

响应中断

acquireInterruptibly用于响应中断的获取同步状态

public final void acquireInterruptibly(int arg)    throws InterruptedException {  //查看是否被中断，中断抛出异常  if (Thread.interrupted())    throw new InterruptedException();  if (!tryAcquire(arg))    doAcquireInterruptibly(arg);}

doAcquireInterruptibly 与原过程类似，就是在被唤醒后检查到被中断时抛出中断异常

    private void doAcquireInterruptibly(int arg)    throws InterruptedException {    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);    boolean failed = true;    try {      for (;;) {        final Node p = node.predecessor();        if (p == head && tryAcquire(arg)) {          setHead(node);          p.next = null; // help GC          failed = false;          return;         }        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&          parkAndCheckInterrupt())          //被唤醒后检查到被中断时抛出中断异常          throw new InterruptedException();       }     } finally {      if (failed)        cancelAcquire(node);     }   }

响应中断的获取同步状态被中断时会直接抛出中断异常，而不响应的是自己中断

响应超时

响应超时的获取同步状态使用tryAcquireNanos 超时时间为纳秒级别

public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)    throws InterruptedException {  if (Thread.interrupted())    throw new InterruptedException();  return tryAcquire(arg) ||    doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);}

可以看出响应超时同时也会响应中断

doAcquireNanos也与原过程类似

    private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)      throws InterruptedException {    if (nanosTimeout <= 0L)      return false;    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);    boolean failed = true;    try {      for (;;) {        final Node p = node.predecessor();        if (p == head && tryAcquire(arg)) {          setHead(node);          p.next = null; // help GC          failed = false;          return true;         }        //还有多久超时        nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();        if (nanosTimeout  spinForTimeoutThreshold)          //超时等待          LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);        //响应中断        if (Thread.interrupted())          throw new InterruptedException();       }     } finally {      if (failed)        cancelAcquire(node);     }   }

响应超时在自旋期间会计算还有多久超时，如果大于1ms就等待对应的时间，否则就继续自旋，同时响应中断

共享

共享式就是允许多个线程同时获取一定的资源，比如信号量、读锁就是用共享式实现的

其实共享式与独占式流程类似，只是尝试获取同步状态的实现不同

我们用个获取同步状态的方法来说明

共享式获取同步状态使用acquireShared

public final void acquireShared(int arg) {  if (tryAcquireShared(arg) < 0)    doAcquireShared(arg);}

tryAcquireShared 尝试获取同步状态，参数arg表示获取多少同步状态，返回剩余可获取同步状态的数量

如果剩余可获取同步状态数量小于0 说明 未获取成功进入doAcquireShared

    private void doAcquireShared(int arg) {    //添加共享式节点    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);    boolean failed = true;    try {      boolean interrupted = false;      for (;;) {        //获取前驱节点        final Node p = node.predecessor();        if (p == head) {          int r = tryAcquireShared(arg);          if (r >= 0) {            //如果前驱节点为头节点 并且 获取同步状态成功 设置头节点            setHeadAndPropagate(node, r);            p.next = null; // help GC            if (interrupted)              selfInterrupt();            failed = false;            return;           }         }        //获取失败进入会等待的自旋        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&          parkAndCheckInterrupt())          interrupted = true;       }     } finally {      if (failed)        cancelAcquire(node);     }   }

响应中断、超时等方法也与独占式类似，只是有些设置细节不同

Condition

上文曾说过AQS充当阻塞（同步）队列，Condition来充当等待队列

AQS的内部类ConditionObject就是Condition的实现，它充当等待队列，用字段记录头尾节点

public class ConditionObject implements Condition{    //头节点      private transient Node firstWaiter;    //尾节点    private transient Node lastWaiter; }

节点之间使用nextWait指向下一个节点，形成单向链表

同时提供await系列方法来让当前线程进入等待，signal系列方法来唤醒

        public final void await() throws InterruptedException {      //响应中断      if (Thread.interrupted())        throw new InterruptedException();      //添加到末尾 不需要保证原子性，因为能指向await一定是获取到同步资源的      Node node = addConditionWaiter();      //释放获取的同步状态      int savedState = fullyRelease(node);      int interruptMode = 0;      //不在同步队列就park进入等待      while (!isOnSyncQueue(node)) {        LockSupport.park(this);        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)          break;       }      //被唤醒后自旋获取同步状态      if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)        interruptMode = REINTERRUPT;      //取消后清理      if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled        unlinkCancelledWaiters();      if (interruptMode != 0)        reportInterruptAfterWait(interruptMode);     }

await主要将节点添加到condition object末尾，释放获取的同步状态，进入等待，唤醒后自旋获取同步状态

signal的主要逻辑在transferForSignal中

    final boolean transferForSignal(Node node) {    //CAS修改节点状态 失败返回 变成取消    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))      return false;    //加入AQS末尾    Node p = enq(node);    int ws = p.waitStatus;    //CAS将节点状态修改为SIGNAL 成功则唤醒节点    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))      LockSupport.unpark(node.thread);    return true;   }

signal 主要把状态从-2condition 修改为 0（失败则取消节点）， 然后加入AQS的末尾，最后再将状态该为-1 signal，成功则唤醒节点

为什么加入AQS末尾还是使用enq去CAS+失败重试操作保证原子性呢？

因为ConditionObject允许有多个，也就一个AQS同步队列可能对应多个Condition等待（条件）队列

总结

本篇文章以AQS为核心，深入浅出的描述AQS实现的数据结构、设计思想、获取/释放同步资源的源码级流程、Condition等

AQS使用头尾节点来实现双向队列，提供同步状态和获取/释放同步状态的模板方法来实现阻塞（同步）队列，并且这些字段使用volatile修饰，保证可见性与读取的场景配合，不需要保证原子性，在写的场景下常用CAS保证原子性

AQS与Condition使用相同类型的节点，在AQS中节点维护成双向链表，在Condition中节点维护成单向链表，节点除了维护指向关系，还需要记录对应线程和节点状态

AQS分为独占式和共享式，使用独占式时只允许一个线程获取同步状态，使用共享式时则允许多个线程获取同步状态；其中还提供响应中断、等待超时的类似方法

获取同步状态：先尝试获取同步状态，如果失败则CAS+失败重试的方式将节点添加到AQS末尾，等待被前驱节点唤醒；只有当前驱节点为头节点并且获取同步状态成功才返回，否则进入等待，被唤醒后继续尝试（自旋）；在此期间如果发生异常，在抛出异常前会取消该节点

释放同步状态：尝试释放同步状态，成功后唤醒后继未被取消的节点

在获取同步状态时，被唤醒后会检查中断标识，如果是响应中断的则会直接抛出中断异常，不响应的则是在最外层自己中断

响应超时时，在自旋获取同步状态期间会计时，如果距离超时小于1ms就不进入等待的自旋，大于则再等待对应时间

AQS充当阻塞队列，Condition充当它的等待队列来实现等待/通知模式，AQS的内部类ConditionObject在await时会加入Condition末尾并释放同步状态进入等待队列，在被唤醒后自旋（失败会进入等待）获取同步状态；在single时会CAS的将condition头节点并加入AQS尾部再去唤醒（因为一个AQS可能对应多个Condition因此要CAS保证原子性）

最后（不要白嫖，一键三连求求拉~）

本篇文章被收入专栏 由点到线，由线到面，深入浅出构建Java并发编程知识体系，感兴趣的同学可以持续关注喔

本篇文章笔记以及案例被收入 gitee-StudyJava、 github-StudyJava 感兴趣的同学可以stat下持续关注喔~

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