JDK锁的基础－－AQS实现原理（一）

AQS全称是AbstractQueuedSynchronizer，是jdk中用来实现锁的基础框架，比如ReentrantLock、ReadWriteLock以及Condition的实现和AQS密切相关。说到AQS，等来介绍一下CLH锁，CLH锁是用来实现自旋锁的一种方式，其大概原理是用一个队列把等待锁的线程保存起来，自旋等待。但是CLH比较特别的地方在于，在某种程度上，每个节点的行为是由其前驱节点的状态来决定的，如下图所示：

其中Node 1代表持有锁的线程，Node 2和Node 3代表等待锁的线程，每个Node 含有一个prev字段和一个status字段，prev字段指向队列中的前一个节点，status字段代表当前节点的状态（是否已经释放了锁）。每个Node初始化时status为true，表示需要获取锁，当获取到锁并且释放了锁之后status变成false，这样其后继节点检测到prev.status == false的时候就表示轮到自己来操作了，也就是自己获得了锁。
CLH队列入队的操作需要一个原子的操作，假设新建了一个节点node：

do {
    prev = tail;
} while(!tail.compareAndSet(prev, node))

出队的时候需要检测其前驱节点的status字段，满足条件后把队列的head节点设置成当前节点即可：

while(prev.status != false);
head = node;

CLH锁的一个好处是入队和出队操作都非常快，并且不需要加锁，而且检测是否有线程正在等待也非常快（只需判断队列的head是否等于tail）。另外CLH队列把状态分散到各个节点，这样就避免了一些内存方面的数据竞争。

在某个节点的前驱节点因为超时或者其它原因被取消的时候，可以用该前驱节点的prev字段来找到一个没有被取消的节点的status来判断当前节点是否持有锁。

CLH锁由于每个线程都是自旋等待，并且不停地轮询另一个线程的状态，所以在NUMA架构的处理器上面可能造成性能损失，在这种情况下可以使用MCS锁，本文就不介绍了。

AQS使用了类似的队列来放置等待的线程，但是和CLH锁不一样的地方有几点，首先 CLH锁队列中的每个线程都是自旋等待，而AQS队列中的线程一般是阻塞等待的。另外AQS队列的Node类包含的信息要比CLH队列的Node类丰富，这也是意料之中的，下面来介绍一下AQS的Node类：

    static final class Node {
        //以下定义了Node类waitStatus字段的几种状态
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;

        //该Node对象的状态，用于控制自身和其后继节点的行为
        volatile int waitStatus;
        //前驱节点
        volatile Node prev;
        //后继节点
        volatile Node next;
        //该Node代表的线程
        volatile Thread thread;
    }

上面的Node类并不完全，只是把实现基本功能的字段列举了出来，没有列出实现共享锁需要的字段。来看一下waitStatus：

1. SIGNAL表示后继节点正处于或者将要处于被阻塞的状态下，当前节点释放锁或者被取消的时候需要唤醒后继节点。AQS的acquire方法中会先把节点的前驱节点的状态设置成SIGNAL状态，然后调用tryAcquire方法尝试获取锁，如果失败的话会阻塞该节点。
2. CANCELLED表示该节点由于超时或者中断已经被取消。一个处于取消状态的节点永远都只会是取消状态，并且其代表的线程不会再阻塞。
3. CONDITION表示节点处在Condition对象的等待队列上。这个队列和AQS对象的队列是两个队列，Condition对象的等待队列只有在条件满足的情况下才会转移到AQS的等待队列上。如果没有使用Condition接口，那么这个状态不会出现。暂时无需考虑这种状态。

另外，AQS类本身维护了一个int类型的状态字段state，并且提供了接口用于修改和查询这个状态。state字段反映的是锁的状态，是否被某个线程持有，还是暂时是空闲的。AQS中还有两个字段：

    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;

分别用于表示AQS等待队列的头节点和尾节点。

AQS也从AbstractOwnableSynchronizer类继承了一个字段private transient Thread exclusiveOwnerThread;，指向正持有锁的线程。