介绍 AQS
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包中，实现各种同步组件的根底。比方
- 各种锁：ReentrantLock、ReadWriteLock、StampedLock
- 各种线程同步工具类：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore
- 线程池中的 Worker
Lock 接口的实现根本都是通过聚合了一个 AQS 的子类来实现线程访问控制的。
Doug Lea 已经介绍过 AQS 的设计初衷。从原理上，一种同步组件往往是能够利用其余的组件实现的，例如能够应用 Semaphore 实现互斥锁。然而，对某种同步组件的偏向，会导致简单、艰涩的实现逻辑，所以，他抉择了将根底的同步相干操作形象在 AbstractQueuedSynchronizer 中，利用 AQS 为咱们构建同步组件提供了范本。
如何应用 AQS
利用 AQS 实现一个同步组件，咱们至多要实现两类根本的办法，别离是：
- 获取资源，须要实现 tryAcquire(int arg) 办法
- 开释资源，须要实现 tryRelease(int arg) 办法
如果须要共享式获取 / 开释资源，须要实现对应的 tryAcquireShared(int arg)、tryReleaseShared(int arg)
AQS 应用的是模板办法设计模式。AQS 办法的修饰符很有法则，其中，应用 protected 润饰的办法为形象办法，通常须要子类去实现，从而实现不同的同步组件；应用 public 润饰的办法根本能够认为是模板办法，不倡议子类间接笼罩。
通过调用 AQS 的 acquire(int arg) 办法能够获取资源，该办法会调用 protected 润饰的 tryAcquire(int arg) 办法，因而咱们须要在 AQS 的子类中实现 tryAcquire(int arg)，tryAcquire(int arg) 办法的作用是：获取资源。
以后线程获取资源并执行了相应逻辑之后，就须要开释资源，使得后续节点可能持续获取资源。通过调用 AQS 的 release(int arg) 办法能够开释资源，该办法会调用 protected 润饰的 tryRelease(int arg) 办法，因而咱们须要在 AQS 的子类中实现 tryRelease(int arg)，tryRelease(int arg) 办法的作用是：开释资源。
AQS 的实现原理
从实现角度剖析 AQS 是如何实现线程访问控制。
AQS 的实现原理能够从 同步阻塞队列、获取资源时的执行流程、开释资源时的执行流程 这 3 个方面介绍。
同步阻塞队列
AQS 依赖外部的同步阻塞队列（一个 FIFO 双向队列）来实现资源的治理。
同步阻塞队列的工作机制：
- 节点：同步阻塞队列中的节点（Node）用来保留获取资源失败的线程援用、期待状态以及前驱和后继节点，没有胜利获取资源的线程将会成为节点退出同步阻塞队列的尾部，同时会阻塞以后线程（Java 线程处于 WAITING 状态，开释 CPU 的使用权）。
- 首节点：同步阻塞队列遵循 FIFO（先进先出），首节点是获取资源胜利的节点，首节点的线程在开释资源时，将会唤醒后继节点，使其再次尝试获取资源，而后继节点将会在获取资源胜利时将本人设置为首节点。
static final class Node {
/**
* Marker to indicate a node is waiting in shared mode
*/
static final AbstractQueuedSynchronizer.Node SHARED = new AbstractQueuedSynchronizer.Node();
/**
* Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode
*/
static final AbstractQueuedSynchronizer.Node EXCLUSIVE = null;
/**
* waitStatus value to indicate thread has cancelled
*/
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;
// 期待状态
volatile int waitStatus;
// 前驱节点
volatile AbstractQueuedSynchronizer.Node prev;
// 后继节点
volatile AbstractQueuedSynchronizer.Node next;
/**
* The thread that enqueued this node. Initialized on
* construction and nulled out after use.
*/
volatile Thread thread;
// 条件期待队列的后继节点
AbstractQueuedSynchronizer.Node nextWaiter;
/**
* Returns true if node is waiting in shared mode.
*/
final boolean isShared() {return nextWaiter == SHARED;}
/**
* Returns previous node, or throws NullPointerException if null.
* Use when predecessor cannot be null. The null check could
* be elided, but is present to help the VM.
*
* @return the predecessor of this node
*/
final AbstractQueuedSynchronizer.Node predecessor() throws NullPointerException {
AbstractQueuedSynchronizer.Node p = prev;
if (p == null) throw new NullPointerException();
else return p;
}
Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker}
Node(Thread thread, AbstractQueuedSynchronizer.Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}期待状态
在节点中用 volatile int waitStatus 属性示意节点的期待状态。
节点有如下几种期待状态：
- CANCELLED，值为 1，因为在同步阻塞队列中期待的线程期待超时或者被中断，须要从同步阻塞队列中勾销期待，节点进人该状态将不会变动
- SIGNAL，值为 -1，后继节点的线程处于期待状态，而以后节点的线程如果开释了同步状态或者被勾销，将会告诉后继节点，使后继节点的线程得以运行
- CONDITION，值为 -2，节点在条件期待队列中，节点线程期待在 Condition 上，当其余线程对 Condition 调用了 signal() 办法后，该节点将会从条件期待队列转移到同步阻塞队列中，退出到对同步状态的获取中
- PROPAGATE，值为 -3，示意下一次共享式同步状态获取将会无条件地被流传上来
- INITIAL，值为 0，初始状态
获取资源、开释资源的执行流程，论断后行：
- 在获取资源时，获取资源失败的线程都会被退出到同步阻塞队列中，并在队列中进行自旋；移出队列（或进行自旋）的条件是前驱节点为头节点且胜利获取了资源。
- 在开释资源时，AQS 调用 tryRelease(int arg) 办法开释资源，而后唤醒头节点的后继节点。
获取资源
上面来介绍获取资源时的执行流程。
调用 AQS 的 acquire(int arg) 办法能够获取资源。
acquire(int arg) 办法是独占式获取资源，它调用流程如下图所示。
用文字描述 acquire(int arg) 办法的调用流程：首先调用自定义 AQS 实现的 tryAcquire(int arg) 办法，该办法的作用是尝试获取资源：
- 如果获取资源胜利，则间接从 acquire(int arg) 办法返回
- 如果获取资源失败，则结构节点，并将该节点退出到同步阻塞队列的尾部，最初调用 acquireQueued(Node node,int arg) 办法，使得该节点以“死循环”的形式尝试获取资源。只有以后节点的前驱节点是头节点，能力尝试获取资源。
-
- 如果以后节点的前驱节点是头节点，并且获取资源胜利，则设置以后节点为头节点，并从 acquireQueued(Node node,int arg) 办法返回
- 如果以后节点的前驱节点不是头节点 或者 获取资源失败，则阻塞以后线程，线程被唤醒后继续执行该循环操作
acquireQueued(Node node,int arg) 办法的调用过程也被称为“自旋过程”。
自旋是什么意思是呢？我的了解就是：自旋就是一个死循环，循环执行某个操作序列，直到满足某个条件才退出循环。
/**
* Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented
* by invoking at least once {@link #tryAcquire},
* returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly
* repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
* #tryAcquire} until success. This method can be used
* to implement method {@link Lock#lock}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
*/
public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();}acquire(int arg) 的次要逻辑是：
首先调用自定义 AQS 实现的 tryAcquire(int arg) 办法，该办法保障线程平安的获取资源：
- 如果获取资源胜利，则间接从 acquire(int arg) 办法返回
- 如果获取资源失败，则结构同步节点（独占式 Node.EXCLUSIVE，同一时刻只能有一个线程胜利获取资源）并通过 addWaiter(Node node) 办法将该节点退出到同步阻塞队列的尾部，最初调用 acquireQueued(Node node,int arg) 办法，使得该节点以“死循环”的形式获取资源。如果获取不到则阻塞节点中的线程，而被阻塞线程的唤醒次要依附 前驱节点的出队 或 阻塞线程被中断 来实现。
/**
* Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
* queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
*
* @param node the node
* @param arg the acquire argument
* @return {@code true} if interrupted while waiting
*/
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);
}
}在 acquireQueued(final Node node,int arg) 办法中，以后线程在“死循环”中尝试获取资源，而只有前驱节点是头节点才可能尝试获取资源，这是为什么？起因有两个，如下。
- 第一，头节点是胜利获取到资源的节点，而头节点的线程开释了资源之后，将会唤醒其后继节点，后继节点的线程被唤醒后须要查看本人的前驱节点是否是头节点。
- 第二，保护同步阻塞队列的 FIFO 准则。
开释资源
以后线程获取资源并执行了相应逻辑之后，就须要开释资源，使得后续节点可能持续获取资源。
上面来介绍开释资源时的执行流程。
通过调用 AQS 的 release(int arg) 办法能够开释资源，该办法在开释资源之后，会唤醒头节点的后继节点，进而使后继节点从新尝试获取资源。
/**
* Releases in exclusive mode. Implemented by unblocking one or
* more threads if {@link #tryRelease} returns true.
* This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.
*
* @param arg the release argument. This value is conveyed to
* {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
* @return the value returned from {@link #tryRelease}
*/
public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}release(int arg) 办法执行时，会唤醒头节点的后继节点线程，unparkSuccessor(Node node) 办法应用 LockSupport#unpark() 办法来唤醒处于期待状态的线程。
共享式 获取 & 开释 资源
下面讲的是独占式获取 / 开释 资源。
共享式获取与独占式获取最次要的区别在于：同一时刻是否有多个线程同时获取到资源。以文件的读写为例，如果一个程序在对文件进行读操作，那么这一时刻对于该文件的写操作均被阻塞，而读操作可能同时进行。写操作要求对资源的独占式拜访，而读操作能够是共享式拜访。
- 共享式拜访资源时，其余共享式的拜访均被容许，独占式拜访被阻塞
- 独占式拜访资源时，同一时刻其余拜访均被阻塞
共享式获取资源
调用 AQS 的 acquireShared(int arg) 办法能够共享式地获取资源。
在 acquireShared(int arg) 办法中，AQS 调用 tryAcquireShared(int arg) 办法尝试获取资源，tryAcquireShared(int arg) 办法返回值为 int 类型，当返回值 >= 0 时，示意可能获取到资源。
能够看到，在 doAcquireShared(int arg) 办法的自旋过程中，如果以后节点的前驱为头节点时，能力尝试获取资源，如果获取资源胜利（返回值 >= 0），则设置以后节点为头节点，并从自旋过程中退出。
public final void acquireShared(int arg) {if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
private void doAcquireShared(int arg) {final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}共享式开释资源
调用 releaseShared(int arg) 办法能够开释资源。该办法在开释资源之后，会唤醒头节点的后继节点，进而使后继节点从新尝试获取资源。
对于可能反对多个线程同时拜访的并发组件（比方 Semaphore），它和独占式次要区别在于 tryReleaseShared(int arg) 办法必须确保资源平安开释，因为开释资源的操作会同时来自多个线程。确保资源平安开释个别是通过循环和 CAS 来保障的。
public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}独占式超时获取资源
调用 AQS 的 doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 办法能够超时获取资源，即在指定的时间段内获取资源，如果获取资源胜利则返回 true，否则返回 false。
该办法提供了传统 Java 同步操作（比方 synchronized 关键字）所不具备的个性。
在剖析该办法的实现前，先介绍一下响应中断的获取资源过程。
- 在 Java 5 之前，当一个线程获取不到锁而被阻塞在 synchronized 之外时，对该线程进行中断操作，此时该线程的中断标记位会被批改，但线程依旧会阻塞在 synchronized 上，期待着获取锁。
- 在 Java 5 中，AQS 提供了 acquireInterruptibly(int arg) 办法，这个办法在期待获取资源时，如果以后线程被中断，会立即返回，并抛出 InterruptedException。
acquire(int arg) 办法对中断不敏感，也就是因为线程获取资源失败后进入同步阻塞队列中，后续对线程进行中断操作时，线程不会从同步阻塞队列中移出。
超时获取资源过程能够被视作响应中断获取资源过程的“增强版”，doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 办法在反对响应中断的根底上，减少了超时获取的个性。
针对超时获取，次要须要计算出须要睡眠的工夫距离 nanosTimeout，为了避免过早告诉，nanosTimeout 计算公式为：nanosTimeout -= now – lastTime，其中 now 为以后唤醒工夫，lastTime 为上次唤醒工夫，如果 nanosTimeout 大于 0 则示意超时工夫未到，须要持续睡眠 nanosTimeout 纳秒，反之，示意曾经超时。
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
/**
* Acquires in exclusive timed mode.
*
* @param arg the acquire argument
* @param nanosTimeout max wait time
* @return {@code true} if acquired
*/
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;
}
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();}
} finally {if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}该办法在自旋过程中，当节点的前驱节点为头节点时尝试获取资源，如果胜利获取资源则从该办法返回，这个过程和独占式同步获取的过程相似，然而在获取资源失败的解决上有所不同。
如果以后线程获取资源失败，则判断是否超时（nanosTimeout 小于等于 0 示意曾经超时），如果没有超时，则从新计算超时距离 nanosTimeout，而后使以后线程期待 nanosTimeout 纳秒（当已到设置的超时工夫，该线程会从 LockSupport.parkNanos(Object blocker,long nanos)办法返回）。
如果 nanosTimeout 小于等于 spinForTimeoutThreshold（1000 纳秒）时，将不会使该线程进行超时期待，而是进入疾速的自旋过程。起因在于，十分短的超时期待无奈做到非常准确，如果这时再进行超时期待，相同会让 nanosTimeout 的超时从整体上体现得反而不准确。因而，在超时十分短的场景下，AQS 会进入无条件的疾速自旋。
独占式超时获取资源的流程如下所示。
从图中能够看出，独占式超时获取资源 doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 和独占式获取资源 acquire(int args)在流程上十分类似，其次要区别在于：未获取到资源时的解决逻辑。
acquire(int args) 在未获取到资源时，将会使以后线程始终处于期待状态，而 doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 会使以后线程期待 nanosTimeout 纳秒，如果以后线程在 nanosTimeout 纳秒内没有获取到资源，将会从期待逻辑中主动返回。
Condition 的实现原理
技术是为了解决问题而生的，通过 Condition 咱们能够实现期待 / 告诉性能。
ConditionObject 是 AQS 的外部类。每个 Condition 对象都蕴含着一个条件期待队列，这个条件期待队列是 Condition 对象实现期待 / 告诉性能的要害。
上面咱们剖析 Condition 的实现原理，次要包含：条件期待队列、期待 和 告诉。
上面提到的 Condition 如果不加阐明均指的是 ConditionObject。
条件期待队列
Condition 依赖外部的条件期待队列（一个 FIFO 双向队列）来实现期待 / 告诉性能。
条件期待队列的工作机制：
- 节点：条件期待队列中的每个节点（Node）都蕴含一个线程援用，该线程就是在 Condition 对象上期待的线程，如果一个线程调用了 Condition.await()办法，那么该线程将会开释资源、结构成为节点退出条件期待队列的尾部，同时线程状态变为期待状态。
事实上，条件期待队列中的节点定义复用了 AQS 节点的定义，也就是说，同步阻塞队列和条件期待队列中节点类型都是 AQS 的动态外部类 AbstractQueuedSynchronizer.Node。
在 Object 的监视器模型上，一个对象领有一个同步阻塞队列和一个条件期待队列，而并发包中的 Lock（更确切地说是 AQS）领有一个同步阻塞队列和多个条件期待队列。
期待
上面来介绍让线程期待的执行流程。
调用 Condition 的 await() 办法（或者以 await 结尾的办法），将会使以后线程开释资源、结构成为节点退出条件期待队列的尾部，同时线程状态变为期待状态。
如果从队列（同步阻塞队列和条件期待队列）的角度看 await()办法，当调用 await() 办法时，相当于同步阻塞队列的首节点（获取到锁的节点）挪动到 Condition 的条件期待队列中。并且同步阻塞队列的首节点并不会间接退出条件期待队列，而是通过 addConditionWaiter() 办法把以后线程结构成一个新的节点，将其退出条件期待队列中。
/**
* Implements interruptible condition wait.
* <ol>
* <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
* <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
* <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
* throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
* <li> Block until signalled or interrupted.
* <li> Reacquire by invoking specialized version of
* {@link #acquire} with saved state as argument.
* <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
* </ol>
*/
public final void await() throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}告诉
上面来介绍唤醒期待线程的执行流程。
调用 Condition 的 signal() 办法，将会唤醒在条件期待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将以后节点从条件期待队列挪动到同步阻塞队列中。
条件期待队列中的节点被唤醒后，被唤醒的线程以“死循环”的形式尝试获取资源。胜利获取资源之后，被唤醒的线程将从先前调用的 await() 办法返回。
如果被唤醒的线程不是通过其余线程调用 Condition.signal() 办法唤醒，而是对期待线程进行中断，则会抛出 InterruptedException。
被唤醒的线程，将从 await() 办法中的 while 循环中退出（isOnSyncQueue(Node node) 办法返回 true，节点曾经在同步阻塞队列中），进而调用 AQS 的 acquireQueued() 办法以“死循环”的形式尝试获取资源。胜利获取资源之后，被唤醒的线程将从先前调用的 await() 办法返回。
Condition 的 signalAll() 办法，相当于对条件期待队列中的每个节点均执行一次 signal() 办法，成果就是将条件期待队列中所有节点全副挪动到同步阻塞队列中，并唤醒每个节点的线程。
尽管是把每个节点的线程都唤醒了，这些线程须要尝试获取资源，然而只有一个线程可能胜利获取资源，而后从 await() 办法返回；其余获取资源失败的线程又都会被退出到同步阻塞队列中，并在队列中进行自旋；移出队列（或进行自旋）的条件是前驱节点为头节点且胜利获取了资源。
/**
* Moves the longest-waiting thread, if one exists, from the
* wait queue for this condition to the wait queue for the
* owning lock.
*
* @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
* returns {@code false}
*/
public final void signal() {if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
/**
* Removes and transfers nodes until hit non-cancelled one or
* null. Split out from signal in part to encourage compilers
* to inline the case of no waiters.
* @param first (non-null) the first node on condition queue
*/
private void doSignal(Node first) {
do {if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}参考资料
《Java 并发编程艺术》第 5 章：Java 中的锁