一、概述
谈到并发，不得不谈ReentrantLock；而谈到ReentrantLock，不得不谈AbstractQueuedSynchronized（AQS）！
类如其名，抽象的队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。
以下是本文的目录大纲：
- 概述
- 框架
- 源码详解
- 简单应用
若有不正之处，请谅解和批评指正，不胜感激。
二、框架
它维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。这里volatile是核心关键词，具体volatile的语义，在此不述。state的访问方式有三种:
- getState()
- setState()
- compareAndSetState()
AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：
- isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
- tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
- tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。
再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。
一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。
三、源码详解
本节开始讲解AQS的源码实现。依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来。
3.1 acquire(int)
此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。这也正是lock()的语义，当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了。下面是acquire()的源码：
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
函数流程如下：
- tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
- addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
- acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
- 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。
这时单凭这4个抽象的函数来看流程还有点朦胧，不要紧，看完接下来的分析后，你就会明白了。就像《大话西游》里唐僧说的：等你明白了舍生取义的道理，你自然会回来和我唱这首歌的。
3.1.1 tryAcquire(int)
此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义，还是那句话，当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码：
protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
什么？直接throw异常？说好的功能呢？好吧，还记得概述里讲的AQS只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现吗？就是这里了！！！AQS这里只定义了一个接口，具体资源的获取交由自定义同步器去实现了（通过state的get/set/CAS）！！！至于能不能重入，能不能加塞，那就看具体的自定义同步器怎么去设计了！！！当然，自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。
这里之所以没有定义成abstract，是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease，而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。说到底，Doug Lea还是站在咱们开发者的角度，尽量减少不必要的工作量。
3.1.2 addWaiter(Node)
此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点。还是上源码吧：
private Node addWaiter(Node mode) { //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享） Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); //尝试快速方式直接放到队尾。 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //上一步失败则通过enq入队。 enq(node); return node; }
不用再说了，直接看注释吧。
3.1.2.1 enq(Node)
此方法用于将node加入队尾。源码如下：
private Node enq(final Node node) { //CAS"自旋"，直到成功加入队尾 for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else {//正常流程，放入队尾 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
如果你看过AtomicInteger.getAndIncrement()函数源码，那么相信你一眼便看出这段代码的精华。CAS自旋volatile变量，是一种很经典的用法。还不太了解的，自己去百度一下吧。
3.1.3 acquireQueued(Node, int)
OK，通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧：进入等待状态休息，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，自己再拿到资源，然后就可以去干自己想干的事了。没错，就是这样！是不是跟医院排队拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事：在等待队列中排队拿号（中间没其它事干可以休息），直到拿到号后再返回。这个函数非常关键，还是上源码吧：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源 try { boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过 //又是一个“自旋”！ for (;;) { final Node p = node.predecessor();//拿到前驱 //如果前驱是head，即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取资源（可能是老大释放完资源唤醒自己的，当然也可能被interrupt了）。 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。 p.next = null; // setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！ failed = false; return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过 } //如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark() if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true;//如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
到这里了，我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程，先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。
3.1.3.1 shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)
此方法主要用于检查状态，看看自己是否真的可以去休息了（进入waiting状态，如果线程状态转换不熟，可以参考本人上一篇写的Thread详解），万一队列前边的线程都放弃了只是瞎站着，那也说不定，对吧！
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态 if (ws == Node.SIGNAL) //如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下，那就可以安心休息了 return true; if (ws > 0) { /* * 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。 * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！ */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { //如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。
3.1.3.2 parkAndCheckInterrupt()
如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态 return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。 }
park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。（再说一句，如果线程状态转换不熟，可以参考本人写的Thread详解）。需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。
3.1.3.3 小结
OK，看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，现在让我们再回到acquireQueued()，总结下该函数的具体流程：
- 结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；
- 调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；
- 被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。
3.1.4 小结
acquireQueued()分析完之后，我们接下来再回到acquire()！再贴上它的源码吧：
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
再来总结下它的流程吧：
- 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
- 没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
- acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
- 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。
由于此函数是重中之重，我再用流程图总结一下：
至此，acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程，不信你去看其lock()源码吧，整个函数就是一条acquire(1)！！！
3.2 release(int)
上一小节已经把acquire()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。此方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()。下面是release()的源码：
public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head;//找到头结点 if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程 return true; } return false; }
逻辑并不复杂。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是，它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点！！
3.2.1 tryRelease(int)
此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：
protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。
3.2.2 unparkSuccessor(Node)
此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码：
private void unparkSuccessor(Node node) { //这里，node一般为当前线程所在的结点。 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消 s = null; for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。 s = t; } if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒 }
这个函数并不复杂。一句话概括：用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程，这里我们也用s来表示吧。此时，再和acquireQueued()联系起来，s被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断（即使p!=head也没关系，它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的调整，s也必然会跑到head的next结点，下一次自旋p==head就成立啦），然后s把自己设置成head标杆结点，表示自己已经获取到资源了，acquire()也返回了！！And then, DO what you WANT!
3.2.3 小结
release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
3.3 acquireShared(int)
此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码：
public final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg); }
这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值代表获取失败；0代表获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。所以这里acquireShared()的流程就是：
- tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
- 失败则通过doAcquireShared()进入等待队列，直到获取到资源为止才返回。
3.3.1 doAcquireShared(int)
此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。下面是doAcquireShared()的源码：
private void doAcquireShared(int arg) { final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部 boolean failed = true;//是否成功标志 try { boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志 for (;;) { final Node p = node.predecessor();//前驱 if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的 int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源 if (r >= 0) {//成功 setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程 p.next = null; // help GC if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。 selfInterrupt(); failed = false; return; } } //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt() if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
有木有觉得跟acquireQueued()很相似？对，其实流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了，而独占模式是放到acquireQueued()之外，其实都一样，不知道Doug Lea是怎么想的。
跟独占模式比，还有一点需要注意的是，这里只有线程是head.next时（“老二”），才会去尝试获取资源，有剩余的话还会唤醒之后的队友。那么问题就来了，假如老大用完后释放了5个资源，而老二需要6个，老三需要1个，老四需要2个。因为老大先唤醒老二，老二一看资源不够自己用继续park()，也更不会去唤醒老三和老四了。独占模式，同一时刻只有一个线程去执行，这样做未尝不可；但共享模式下，多个线程是可以同时执行的，现在因为老二的资源需求量大，而把后面量小的老三和老四也都卡住了。
3.3.1.1 setHeadAndPropagate(Node, int)
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { Node h = head; setHead(node);//head指向自己 //如果还有剩余量，继续唤醒下一个邻居线程 if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) { Node s = node.next; if (s == null || s.isShared()) doReleaseShared(); } }
此方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式！
doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。
3.3.2 小结
OK，至此，acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程：
- tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
- 失败则通过doAcquireShared()进入等待队列park()，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。
其实跟acquire()的流程大同小异，只不过多了个自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作（这才是共享嘛）。
3.4 releaseShared()
上一小节已经把acquireShared()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码：
public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源 doReleaseShared();//唤醒后继结点 return true; } return false; }
此方法的流程也比较简单，一句话：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，一是共享的实质--多线程可并发执行；二是共享模式基本也不会重入吧（至少我还没见过），所以自定义同步器可以根据需要决定返回值。
3.4.1 doReleaseShared()
此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码：
private void doReleaseShared() { for (;;) { Node h = head; if (h != null && h != tail) { int ws = h.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) { if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; unparkSuccessor(h);//唤醒后继 } else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; } if (h == head)// head发生变化 break; } }
3.5 小结
本节我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)的源码，相信大家都有一定认识了。值得注意的是，acquire()和acquireSahred()两种方法下，线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是，这里相应的源码跟acquire()和acquireSahred()差不多，这里就不再详解了。
四、简单应用
通过前边几个章节的学习，相信大家已经基本理解AQS的原理了。这里再将“框架”一节中的一段话复制过来：
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：
- isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
- tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
- tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
OK，下面我们就以AQS源码里的Mutex为例，讲一下AQS的简单应用。
4.1 Mutex（互斥锁）
Mutex是一个不可重入的互斥锁实现。锁资源（AQS里的state）只有两种状态：0表示未锁定，1表示锁定。下边是Mutex的核心源码：
class Mutex implements Lock, java.io.Serializable { // 自定义同步器 private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 判断是否锁定状态 protected boolean isHeldExclusively() { return getState() == 1; } // 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。 public boolean tryAcquire(int acquires) { assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量 if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！ setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源 return true; } return false; } // 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。 protected boolean tryRelease(int releases) { assert releases == 1; // 限定为1个量 if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！ throw new IllegalMonitorStateException(); setExclusiveOwnerThread(null); setState(0);//释放资源，放弃占有状态 return true; } } // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！ private final Sync sync = new Sync(); //lock<-->acquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。 public void lock() { sync.acquire(1); } //tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。 public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); } //unlock<-->release。两者语文一样：释放资源。 public void unlock() { sync.release(1); } //锁是否占有状态 public boolean isLocked() { return sync.isHeldExclusively(); } }
同步类在实现时一般都将自定义同步器（sync）定义为内部类，供自己使用；而同步类自己（Mutex）则实现某个接口，对外服务。当然，接口的实现要直接依赖sync，它们在语义上也存在某种对应关系！！而sync只用实现资源state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase，至于线程的排队、等待、唤醒等，上层的AQS都已经实现好了，我们不用关心。
除了Mutex，ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore这些同步类的实现方式都差不多，不同的地方就在获取-释放资源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了这点，AQS的核心便被攻破了！
OK，至此，整个AQS的讲解也要落下帷幕了。希望本文能够对学习Java并发编程的同学有所借鉴，中间写的有不对的地方，也欢迎讨论和指正~