jdk并发包源码解析

一、总括

java底层并发包，笔者将该包大致分成3个层次。

1、基础依赖：

• 共享变量volatile：有利于线程可见性。
• Unsafe类：CAS(Compare and Swap)比较并交换，用于并发下交换数据；Thread相关挂起(park)及取消挂起的功能。

2、基础类(基础类的实现基本是基于基础依赖的类来实现)：

• AQS(AbstractQueuedSynchronizer): 抽象队列同步器 用于并发下的资源争夺基础逻辑，其内部包括Node队列、State同步状态、条件对象ConditionObject。
• Atomic原子变量：原子变量类包括int/long/double等基础对象原子类。
• 非堵塞基础数据结构：非线程安全的map、list、queue等结构类型

3、并发工具包是基于以上基础类及基础依赖来实现的工具类：

• lock锁：独占锁重入锁ReentrantLock、读写锁ReentrantReadWriteLock
• 同步器：同步计数器CountDownLatch、同步信号Semaphore
• 并发容器：并发map(ConcurrentHashMap等)、并发list(CopyOnWriteArrayList等)、并发队列和双向队列等容器
• 执行器：Executor执行线程(线程池等)、Future/Callable任务。

本文主要讲解AQS的源码以及基于AQS的实现类(lock锁和同步器)。

二、AQS

1、AQS概述

AbstractQueuedSynchronizer又称为队列同步器(后面简称AQS)，它是用来构建锁或其他同步组件的基础框架，内部通过一个int类型的成员变量state来控制同步状态。

在独占锁中，当state=0时，则说明没有任何线程占有共享资源的锁；当state=1时，则说明有线程目前正在使用共享变量。在共享锁中，当state=0时，则说明当前没有任何可共享资源；当state=n时，则说明线程有n个共享资源可以使用。

若AQS内部state资源不可用时，其他线程必须加入同步队列进行等待，AQS内部通过内部类Node构成FIFO的同步队列来完成线程获取锁的排队工作。同时AQS利用内部类ConditionObject构建等待队列，当Condition调用wait()方法后，线程将会加入等待队列中，而当Condition调用signal()方法后，线程将从等待队列转移动同步队列中进行锁竞争。
AQS 基础结构：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
//队列节点
static final class Node {
}
//同步队列队头
private transient volatile Node head;
 
//同步队列队尾
private transient volatile Node tail;
 
//共享状态
private volatile int state;
  
//等待队列资源
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
}
}

AQS 资源队列同步模型：

head和tail分别是AQS中的变量，其中head指向同步队列的头部，注意head为空结点，不存储信息。而tail则是同步队列的队尾，同步队列采用的是双向链表的结构这样可方便队列进行结点增删操作。state变量则是代表同步状态，执行当线程调用进行加锁后，若获取到state则正常执行业务，若未获取到state资源，那么当前执行线程将被封装为Node结点加入同步队列等待。其中Node结点是对每一个访问同步代码的线程的封装，从图中的Node的数据结构也可看出，其包含了需要同步的线程本身以及线程的状态，如是否被阻塞，是否等待唤醒，是否已经被取消等。同时Node结点内部关联其前继结点prev和后继结点next，这样可以方便线程释放锁后快速唤醒下一个在等待的线程。

Node数据结构

//队列节点
static final class Node {
    //共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    //独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;
 
    //标识线程已处于结束状态
    static final int CANCELLED =  1;
    //等待被唤醒状态
    static final int SIGNAL    = -1;
    //条件状态，
    static final int CONDITION = -2;
    //在共享模式中使用表示获得的同步状态会被传播
    static final int PROPAGATE = -3;
 
    //等待状态,存在CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE 4种
    volatile int waitStatus;
 
    //同步队列中前驱结点
    volatile Node prev;
 
    //同步队列中后继结点
    volatile Node next;
 
    //请求锁的线程
    volatile Thread thread;
 
    //等待队列中的后继结点，这个与Condition有关
    Node nextWaiter;
 
    //判断是否为共享模式
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
 
    //获取前驱结点
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }
}

其中SHARED和EXCLUSIVE常量分别代表共享模式和独占模式，所谓共享模式是一个锁允许多条线程同时操作，如信号量Semaphore采用的就是基于AQS的共享模式实现的，而独占模式则是同一个时间段只能有一个线程对共享资源进行操作，多余的请求线程需要排队等待，如ReentranLock。变量waitStatus则表示当前被封装成Node结点的等待状态，共有4种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE。

• CANCELLED：值为1，在同步队列中等待的线程等待超时或被中断，需要从同步队列中取消该Node的结点，其结点的waitStatus为CANCELLED，即结束状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
• SIGNAL：值为-1，被标识为该等待唤醒状态的后继结点，当其前继结点的线程释放了同步锁或被取消，将会通知该后继结点的线程执行。说白了，就是处于唤醒状态，只要前继结点释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行。
• CONDITION：值为-2，与Condition相关，该标识的结点处于等待队列中，结点的线程等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
• PROPAGATE：值为-3，与共享模式相关，在共享模式中，该状态标识结点的线程处于可运行状态。
  0状态：值为0，代表初始化状态。

pre和next，分别指向当前Node结点的前驱结点和后继结点，thread变量存储的请求锁的线程。nextWaiter，与Condition相关，代表等待队列中的后继结点，Condition在ReentrantLock中具体的讲解。AQS作为基础组件，对于锁的实现存在两种不同的模式，即共享模式(如Semaphore)和独占模式(如ReetrantLock)，无论是共享模式还是独占模式的实现类，其内部都是基于AQS实现的，也都维持着一个虚拟的同步队列，当请求锁的线程超过现有模式的限制时，会将线程包装成Node结点并将线程当前必要的信息存储到node结点中，然后加入同步队列等会获取锁，而这系列操作都有AQS协助我们完成。

2、AQS类方法

AQS作为基础组件，封装的是核心并发操作。 AQS主要实现的方法包括独占模式下的资源获取和释放，以及共享模式下的资源获取和释放。

AQS提供给独占模式和共享模式的模板方法如下：

//AQS中提供的主要模板方法，由子类实现。
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer{
 
    //独占模式下获取锁的方法
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
 
    //独占模式下解锁的方法
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
 
    //共享模式下获取锁的方法
    protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
 
    //共享模式下解锁的方法
    protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    //判断是否为持有独占锁
    protected boolean isHeldExclusively() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
 
}

AQS的独占方法实现笔者将在下面的ReentrantLock具体讲解；共享模式下的锁使用将在Semaphore做具体讲解。

三、ReentrantLock

1、ReentrantLock概述

重入锁ReetrantLock，实现了Lock接口，作用与synchronized关键字相当，但比synchronized更加灵活。ReetrantLock本身也是一种支持重进入的锁，即该锁可以支持一个线程对资源重复加锁，同时也支持公平锁与非公平锁。所谓的公平与非公平指的是在请求先后顺序上，先对锁进行请求的就一定先获取到锁，那么这就是公平锁，反之，如果对于锁的获取并没有时间上的先后顺序，如后请求的线程可能先获取到锁，这就是非公平锁，一般而言非，非公平锁机制的效率往往会胜过公平锁的机制，但在某些场景下，可能更注重时间先后顺序，那么公平锁自然是很好的选择。需要注意的是ReetrantLock支持对同一线程重加锁，但是加锁多少次，就必须解锁多少次，这样才可以成功释放锁。

ReetrantLock提供的锁方法：

public interface Lock {
    //加锁
    void lock();
 
    //解锁
    void unlock();
 
    //可中断获取锁，与lock()不同之处在于可响应中断操作，即在获
    //取锁的过程中可中断，注意synchronized在获取锁时是不可中断的
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
 
    //尝试非阻塞获取锁，调用该方法后立即返回结果，如果能够获取则返回true，否则返回false
    boolean tryLock();
 
    //根据传入的时间段获取锁，在指定时间内没有获取锁则返回false，如果在指定时间内当前线程未被中并断获取到锁则返回true
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
 
    //获取等待通知组件，该组件与当前锁绑定，当前线程只有获得了锁
    //才能调用该组件的wait()方法，而调用后，当前线程将释放锁。
    Condition newCondition();
}

ReetrantLock类图：

ReetrantLock内部类包括：

抽象锁类Sync：继承自AbstractQueuedSynchronizer，实现了释放锁的操作(tryRelease()方法)，并提供了lock抽象方法，由其子类实现。
非公平锁的实现类NonfairSync
公平锁的实现类FairSync

2、ReetrantLock非公平锁实现

首先我们需要创建非公平锁NonfairSync，ReentrantLock默认是创建非公平锁。

//默认构造，创建非公平锁NonfairSync
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
//根据传入参数创建锁类型
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
 
//加锁操作
public void lock() {
     sync.lock();
}

非公平锁加锁过程

static final class NonfairSync extends Sync {
    //加锁
    final void lock() {
        //执行CAS操作，获取同步状态
        if (compareAndSetState(0, 1))
       //成功则将独占锁线程设置为当前线程 
          setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            //否则再次请求同步状态
            acquire(1);
    }
}

这里获取锁时，首先对同步状态执行CAS操作，尝试把state的状态从0设置为1，如果返回true则代表获取同步状态成功，也就是当前线程获取锁成功，可操作临界资源，如果返回false，则表示已有线程持有该同步状态(其值为1)，获取锁失败，注意这里存在并发的情景，也就是可能同时存在多个线程设置state变量，因此是CAS操作保证了state变量操作的原子性。返回false后，执行 acquire(1)方法，该方法是AQS中的方法，它对中断不敏感，即使线程获取同步状态失败，进入同步队列，后续对该线程执行中断操作也不会从同步队列中移出，方法如下

public final void acquire(int arg) {
    //再次尝试获取同步状态
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

这里传入参数arg表示要获取同步状态后设置的值(即要设置state的值)，因为要获取锁，而status为0时是释放锁，1则是获取锁，我们这里一般传递参数为1，进入方法后首先会执行tryAcquire(arg)方法，在前面分析过该方法在AQS中并没有具体实现，而是交由子类实现，因此该方法是由ReetrantLock类内部实现的。

//NonfairSync类
static final class NonfairSync extends Sync {
 
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
         return nonfairTryAcquire(acquires);
     }
 }
 
//Sync类
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 
  //nonfairTryAcquire方法
  final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
      final Thread current = Thread.currentThread();
      int c = getState();
      //判断同步状态是否为0，并尝试再次获取同步状态
      if (c == 0) {
          //执行CAS操作
          if (compareAndSetState(0, acquires)) {
              setExclusiveOwnerThread(current);
              return true;
          }
      }
      //如果当前线程已获取锁，属于重入锁，再次获取锁后将status值加1
      else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
          int nextc = c + acquires;
          if (nextc < 0) // overflow
              throw new Error("Maximum lock count exceeded");
          //设置当前同步状态，当前只有一个线程持有锁，因为不会发生线程安全问题，可以直接执行 setState(nextc);
          setState(nextc);
          return true;
      }
      return false;
  }
  //省略其他代码
}

从代码执行流程可以看出，这里做了两件事，一是尝试再次获取同步状态，如果获取成功则将当前线程设置为OwnerThread，否则失败，二是判断当前线程current是否为OwnerThread，如果是则属于重入锁，state自增1，并获取锁成功，返回true，反之失败，返回false，也就是tryAcquire(arg)执行失败，返回false。需要注意的是nonfairTryAcquire(int acquires)内部使用的是CAS原子性操作设置state值，可以保证state的更改是线程安全的，因此只要任意一个线程调用nonfairTryAcquire(int acquires)方法并设置成功即可获取锁，不管该线程是新到来的还是已在同步队列的线程，毕竟这是非公平锁，并不保证同步队列中的线程一定比新到来线程请求(可能是head结点刚释放同步状态然后新到来的线程恰好获取到同步状态)先获取到锁，这点跟后面还会讲到的公平锁不同。接着看之前的方法acquire(int arg)。

如果tryAcquire(arg)返回true，acquireQueued自然不会执行，这是最理想的，因为毕竟当前线程已获取到锁，如果tryAcquire(arg)返回false，则会执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)进行入队操作,由于ReentrantLock属于独占锁，因此结点类型为Node.EXCLUSIVE，下面看看addWaiter方法具体实现。

private Node addWaiter(Node mode) {
    //将请求同步状态失败的线程封装成结点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 
    Node pred = tail;
    //如果是第一个结点加入肯定为空，跳过。
    //如果非第一个结点则直接执行CAS入队操作，尝试在尾部快速添加
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        //使用CAS执行尾部结点替换，尝试在尾部快速添加
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //如果第一次加入或者CAS操作没有成功执行enq入队操作
    enq(node);
    return node;
}

创建了一个Node.EXCLUSIVE类型Node结点用于封装线程及其相关信息，其中tail是AQS的成员变量，指向队尾(这点前面的我们分析过AQS维持的是一个双向的链表结构同步队列)，如果是第一个结点，则为tail肯定为空，那么将执行enq(node)操作，如果非第一个结点即tail指向不为null，直接尝试执行CAS操作加入队尾，如果CAS操作失败还是会执行enq(node)，继续看enq(node)：

private Node enq(final Node node) {
    //死循环
    for (;;) {
         Node t = tail;
         //如果队列为null，即没有头结点
         if (t == null) { // Must initialize
             //创建并使用CAS设置头结点
             if (compareAndSetHead(new Node()))
                 tail = head;
         } else {//队尾添加新结点
             node.prev = t;
             if (compareAndSetTail(t, node)) {
                 t.next = node;
                 return t;
             }
         }
     }
}

这个方法使用一个死循环进行CAS操作，可以解决多线程并发问题。这里做了两件事，一是如果还没有初始同步队列则创建新结点并使用compareAndSetHead设置头结点，tail也指向head，二是队列已存在，则将新结点node添加到队尾。注意这两个步骤都存在同一时间多个线程操作的可能，如果有一个线程修改head和tail成功，那么其他线程将继续循环，直到修改成功，这里使用CAS原子操作进行头结点设置和尾结点tail替换可以保证线程安全，从这里也可以看出head结点本身不存在任何数据，它只是作为一个牵头结点，而tail永远指向尾部结点(前提是队列不为null)。

添加到同步队列后，结点就会进入一个自旋过程，即每个结点都在观察时机待条件满足获取同步状态，然后从同步队列退出并结束自旋，回到之前的acquire()方法，自旋过程是在acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))方法中执行的，代码如下

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        //自旋，死循环
        for (;;) {
            //获取前驱结点
            final Node p = node.predecessor();
            当且仅当p为头结点才尝试获取同步状态
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //将node设置为头结点
                setHead(node);
                //清空原来头结点的引用便于GC
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //如果前驱结点不是head，判断是否挂起线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            //最终都没能获取同步状态，结束该线程的请求
            cancelAcquire(node);
    }
}

当前线程在自旋(死循环)中获取同步状态，当且仅当前驱结点为头结点才尝试获取同步状态，这符合FIFO的规则，即先进先出，其次head是当前获取同步状态的线程结点，只有当head释放同步状态唤醒后继结点，后继结点才有可能获取到同步状态，因此后继结点在其前继结点为head时，才进行尝试获取同步状态，其他时刻将被挂起。进入if语句后调用setHead(node)方法，将当前线程结点设置为head。

//设置为头结点
private void setHead(Node node) {
        head = node;
        //清空结点数据
        node.thread = null;
        node.prev = null;
}

设置为node结点被设置为head后，其thread信息和前驱结点将被清空，因为该线程已获取到同步状态(锁)，正在执行了，也就没有必要存储相关信息了，head只有保存指向后继结点的指针即可，便于head结点释放同步状态后唤醒后继结点。

//如果前驱结点不是head，判断是否挂起线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())
      interrupted = true;
}
 
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        //获取当前结点的等待状态
        int ws = pred.waitStatus;
        //如果为等待唤醒（SIGNAL）状态则返回true
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        //如果ws>0 则说明是结束状态，
        //遍历前驱结点直到找到没有结束状态的结点
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            //如果ws小于0又不是SIGNAL状态，
            //则将其设置为SIGNAL状态，代表该结点的线程正在等待唤醒。
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
 
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        //将当前线程挂起
        LockSupport.park(this);
        //获取线程中断状态,interrupted()是判断当前中断状态，
        //并非中断线程，因此可能true也可能false,并返回
        return Thread.interrupted();
}

shouldParkAfterFailedAcquire()方法的作用是判断当前结点的前驱结点是否为SIGNAL状态(即等待唤醒状态)，如果是则返回true。如果结点的ws为CANCELLED状态(值为1>0),即结束状态，则说明该前驱结点已没有用应该从同步队列移除，执行while循环，直到寻找到非CANCELLED状态的结点。倘若前驱结点的ws值不为CANCELLED，也不为SIGNAL(当从Condition的条件等待队列转移到同步队列时，结点状态为CONDITION因此需要转换为SIGNAL)，那么将其转换为SIGNAL状态，等待被唤醒。
若shouldParkAfterFailedAcquire()方法返回true，即前驱结点为SIGNAL状态同时又不是head结点，那么使用parkAndCheckInterrupt()方法挂起当前线程，称为WAITING状态，需要等待一个unpark()操作来唤醒它，到此ReetrantLock内部间接通过AQS的FIFO的同步队列就完成了lock()操作。

非公平锁释放锁过程

//ReentrantLock类的unlock
public void unlock() {
    sync.release(1);
}
 
//AQS类的release()方法
public final boolean release(int arg) {
    //尝试释放锁
    if (tryRelease(arg)) {
 
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            //唤醒后继结点的线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
 
//ReentrantLock类中的内部类Sync实现的tryRelease(int releases)
protected final boolean tryRelease(int releases) {
 
      int c = getState() - releases;
      if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
          throw new IllegalMonitorStateException();
      boolean free = false;
      //判断状态是否为0，如果是则说明已释放同步状态
      if (c == 0) {
          free = true;
          //设置Owner为null
          setExclusiveOwnerThread(null);
      }
      //设置更新同步状态
      setState(c);
      return free;
  }

释放同步状态的操作相对简单些，tryRelease(int releases)方法是ReentrantLock类中内部类自己实现的，因为AQS对于释放锁并没有提供具体实现，必须由子类自己实现。释放同步状态后会使用unparkSuccessor(h)唤醒后继结点的线程，这里看看unparkSuccessor(h)

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
}

从代码执行操作来看，这里主要作用是用unpark()唤醒同步队列中最前边未放弃线程(也就是状态为CANCELLED的线程结点s)。此时，回忆前面分析进入自旋的函数acquireQueued()，s结点的线程被唤醒后，会进入acquireQueued()函数的if (p == head && tryAcquire(arg))的判断，如果p!=head也不会有影响，因为它会执行shouldParkAfterFailedAcquire()，由于s通过unparkSuccessor()操作后已是同步队列中最前边未放弃的线程结点，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()内部对结点状态的调整，s也必然会成为head的next结点，因此再次自旋时p==head就成立了，然后s把自己设置成head结点，表示自己已经获取到资源了，最终acquire()也返回了，这就是独占锁释放的过程。

3、ReetrantLock公平锁实现

公平锁与非公平锁不同的是，在获取锁的时，公平锁的获取顺序是完全遵循时间上的FIFO规则，也就是说先请求的线程一定会先获取锁，后来的线程肯定需要排队，这点与前面我们分析非公平锁的nonfairTryAcquire(int acquires)方法实现有锁不同，下面是公平锁中tryAcquire()方法的实现。

//公平锁FairSync类中的实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
            //注意！！这里先判断同步队列是否存在结点
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
}

该方法与nonfairTryAcquire(int acquires)方法唯一的不同是在使用CAS设置尝试设置state值前，调用了hasQueuedPredecessors()判断同步队列是否存在结点，如果存在必须先执行完同步队列中结点的线程，当前线程进入等待状态。这就是非公平锁与公平锁最大的区别，即公平锁在线程请求到来时先会判断同步队列是否存在结点，如果存在先执行同步队列中的结点线程，当前线程将封装成node加入同步队列等待。而非公平锁呢，当线程请求到来时，不管同步队列是否存在线程结点，直接尝试获取同步状态，获取成功直接访问共享资源，但请注意在绝大多数情况下，非公平锁才是我们理想的选择，毕竟从效率上来说非公平锁总是胜于公平锁。

4、Condition条件对象

Condition的具体实现类是AQS的内部类ConditionObject，AQS中存在两种队列，一种是同步队列，一种是等待队列，而等待队列就相对于Condition而言的。注意在使用Condition前必须获得锁，同时在Condition的等待队列上的结点与前面同步队列的结点是同一个类即Node，其结点的waitStatus的值为CONDITION。在实现类ConditionObject中有两个结点分别是firstWaiter和lastWaiter，firstWaiter代表等待队列第一个等待结点，lastWaiter代表等待队列最后一个等待结点。

并发包中的Lock（更确切地说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列。

firstWaiter指向等待队列的头结点，lastWaiter指向等待队列的尾结点，等待队列中结点的状态只有两种即CANCELLED和CONDITION，前者表示线程已结束需要从等待队列中移除，后者表示条件结点等待被唤醒。每个Codition对象对于一个等待队列，下面从代码层面看看被调用await()方法。

public final void await() throws InterruptedException {
      //判断线程是否被中断
      if (Thread.interrupted())
          throw new InterruptedException();
      //创建新结点加入等待队列并返回
      Node node = addConditionWaiter();
      //释放当前线程锁即释放同步状态
      int savedState = fullyRelease(node);
      int interruptMode = 0;
      //判断结点是否同步队列(SyncQueue)中,即是否被唤醒
      while (!isOnSyncQueue(node)) {
          //挂起线程
          LockSupport.park(this);
          //判断是否被中断唤醒，如果是退出循环。
          if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
              break;
      }
      //被唤醒后执行自旋操作争取获得锁，同时判断线程是否被中断
      if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
          interruptMode = REINTERRUPT;
       // clean up if cancelled
      if (node.nextWaiter != null)
          //清理等待队列中不为CONDITION状态的结点
          unlinkCancelledWaiters();
      if (interruptMode != 0)
          reportInterruptAfterWait(interruptMode);
  }

执行addConditionWaiter()添加到等待队列。

private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
      // 判断是否为结束状态的结点并移除
      if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
          unlinkCancelledWaiters();
          t = lastWaiter;
      }
      //创建新结点状态为CONDITION
      Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
      //加入等待队列
      if (t == null)
          firstWaiter = node;
      else
          t.nextWaiter = node;
      lastWaiter = node;
      return node;
        }

await()方法主要做了3件事，一是调用addConditionWaiter()方法将当前线程封装成node结点加入等待队列，二是调用fullyRelease(node)方法释放同步状态并唤醒后继结点的线程。三是调用isOnSyncQueue(node)方法判断结点是否在同步队列中，注意是个while循环，如果同步队列中没有该结点就直接挂起该线程，需要明白的是如果线程被唤醒后就调用acquireQueued(node, savedState)执行自旋操作争取锁，即当前线程结点从等待队列转移到同步队列并开始努力获取锁。

接着看看唤醒操作singal()方法

public final void signal() {
    //判断是否持有独占锁，如果不是抛出异常
  if (!isHeldExclusively())
         throw new IllegalMonitorStateException();
     Node first = firstWaiter;
     //唤醒等待队列第一个结点的线程
     if (first != null)
         doSignal(first);
}

这里signal()方法做了两件事，一是判断当前线程是否持有独占锁，没有就抛出异常，从这点也可以看出只有独占模式先采用等待队列，而共享模式下是没有等待队列的，也就没法使用Condition。二是唤醒等待队列的第一个结点，即执行doSignal(first)

private void doSignal(Node first) {
     do {
             //移除条件等待队列中的第一个结点，
             //如果后继结点为null，那么说没有其他结点将尾结点也设置为null
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                 lastWaiter = null;
             first.nextWaiter = null;
          //如果被通知节点没有进入到同步队列并且条件等待队列还有不为空的节点，则继续循环通知后续结点
         } while (!transferForSignal(first) &&
                  (first = firstWaiter) != null);
        }
 
//transferForSignal方法
final boolean transferForSignal(Node node) {
    //尝试设置唤醒结点的waitStatus为0，即初始化状态
    //如果设置失败，说明当期结点node的waitStatus已不为
    //CONDITION状态，那么只能是结束状态了，因此返回false
    //返回doSignal()方法中继续唤醒其他结点的线程，注意这里并
    //不涉及并发问题，所以CAS操作失败只可能是预期值不为CONDITION，
    //而不是多线程设置导致预期值变化，毕竟操作该方法的线程是持有锁的。
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
         return false;
 
        //加入同步队列并返回前驱结点p
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        //判断前驱结点是否为结束结点(CANCELLED=1)或者在设置
        //前驱节点状态为Node.SIGNAL状态失败时，唤醒被通知节点代表的线程
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            //唤醒node结点的线程
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

doSignal(first)方法中做了两件事，从条件等待队列移除被唤醒的节点，然后重新维护条件等待队列的firstWaiter和lastWaiter的指向。二是将从等待队列移除的结点加入同步队列(在transferForSignal()方法中完成的)，如果进入到同步队列失败并且条件等待队列还有不为空的节点，则继续循环唤醒后续其他结点的线程。到此整个signal()的唤醒过程就很清晰了，即signal()被调用后，先判断当前线程是否持有独占锁，如果有，那么唤醒当前Condition对象中等待队列的第一个结点的线程，并从等待队列中移除该结点，移动到同步队列中，如果加入同步队列失败，那么继续循环唤醒等待队列中的其他结点的线程，如果成功加入同步队列，那么如果其前驱结点是否已结束或者设置前驱节点状态为Node.SIGNAL状态失败，则通过LockSupport.unpark()唤醒被通知节点代表的线程，到此signal()任务完成，注意被唤醒后的线程，将从前面的await()方法中的while循环中退出，因为此时该线程的结点已在同步队列中，那么while (!isOnSyncQueue(node))将不在符合循环条件，进而调用AQS的acquireQueued()方法加入获取同步状态的竞争中，这就是等待唤醒机制的整个流程实现原理。

四、ReentrantReadWriteLock

1、ReentrantReadWriteLock概述

读写锁ReentrantReadWriteLock，它表示两个锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；一个是写相关的锁，称为排他锁。

线程进入读锁的前提条件：

1、没有其他线程的写锁，则可读锁，并可多个线程重复读锁。2、有写锁请求，但调用线程和持有锁的线程是同一个，则可读锁。

线程进入写锁的前提条件：

1、没有其他线程的读锁和写锁，则可写锁。2、有写锁请求，但调用线程和持有锁的线程是同一个，则可重复写锁。

而读写锁有以下三个重要的特性：

1、公平选择性：支持非公平（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平。2、可重入性：读锁和写锁都支持线程重进入。3、锁降级：遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。

同一线程下特点：

一个线程要想同时持有写锁和读锁，必须先获取写锁再获取读锁；写锁可以“降级”为读锁；读锁不能“升级”为写锁。

一个同步队列

ReentrantReadWriteLock核心方法及类

public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
 
    /** 读锁 */
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
 
    /** 写锁 */
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
 
    final Sync sync;
     
    /** 使用默认（非公平）的排序属性创建一个新的 ReentrantReadWriteLock */
    public ReentrantReadWriteLock() {
        this(false);
    }
 
    /** 使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock */
    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }
 
    /** 返回用于写入操作的锁 */
    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
     
    /** 返回用于读取操作的锁 */
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }
 
    //
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
    //非公平锁
    static final class NonfairSync extends Sync {}
    //公平锁
    static final class FairSync extends Sync {}
    //读锁
    public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {}
    //写锁
    public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {}
}

ReentrantReadWriteLock类图：

Sync类内部存在两个内部类，分别为HoldCounter和ThreadLocalHoldCounter，其中HoldCounter主要与读锁配套使用。HoldCounter主要有两个属性，count和tid，其中count表示某个读线程重入的次数，tid表示该线程的tid字段的值，该字段可以用来唯一标识一个线程。

// 本地线程计数器
static final class ThreadLocalHoldCounter
    extends ThreadLocal {
    // 重写初始化方法，在没有进行set的情况下，获取的都是该HoldCounter值
    public HoldCounter initialValue() {
        return new HoldCounter();
    }
}

Sync内部属性：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 版本序列号
    private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;       
    // 高16位为读锁，低16位为写锁
    static final int SHARED_SHIFT   = 16;
    // 读锁单位 左移16位后，二进制值是10000000000000000，十进制值是65536
    static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
    // 读锁最大数量 左移16位后再减一，十进制值是65535
    //这个常量值用于标识最多支持65535个递归写入锁或65535个读取锁
    static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
    // 写锁最大数量
    static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
    // 本地线程计数器
    private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
    // 缓存的计数器
    private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
    // 第一个读线程
    private transient Thread firstReader = null;
    // 第一个读线程的计数
    private transient int firstReaderHoldCount;
}

读写状态的设计：

读写锁对于同步状态的实现是在一个整形变量上通过“按位切割使用”：将变量切割成两部分，高16位表示读，低16位表示写。

假设当前同步状态值为S，get和set的操作如下：

• 获取写状态：S&0x0000FFFF:将高16位全部抹去
• 获取读状态： S>>>16:无符号补0，右移16位
• 写状态加1：S+1
• 读状态加1：S+（1<<16）即S + 0x00010000

在代码层的判断中，如果S不等于0，当写状态（S&0x0000FFFF），而读状态（S>>>16）大于0，则表示该读写锁的读锁已被获取。

2、写锁实现

获取写锁的步骤（1）首先获取c、w。c表示当前锁状态；w表示写线程数量。然后判断同步状态state是否为0。如果state!=0，说明已经有其他线程获取了读锁或写锁，执行(2)；否则执行(5)。

（2）如果锁状态不为零（c != 0），而写锁的状态为0（w = 0），说明读锁此时被其他线程占用，所以当前线程不能获取写锁，自然返回false。或者锁状态不为零，而写锁的状态也不为0，但是获取写锁的线程不是当前线程，则当前线程也不能获取写锁。

（3）判断当前线程获取写锁是否超过最大次数，若超过，抛异常，反之更新同步状态（此时当前线程已获取写锁，更新是线程安全的），返回true。

（4）如果state为0，此时读锁或写锁都没有被获取，判断是否需要阻塞（公平和非公平方式实现不同），在非公平策略下总是不会被阻塞，在公平策略下会进行判断（判断同步队列中是否有等待时间更长的线程，若存在，则需要被阻塞，否则，无需阻塞），如果不需要阻塞，则CAS更新同步状态，若CAS成功则返回true，失败则说明锁被别的线程抢去了，返回false。如果需要阻塞则也返回false。

（5）成功获取写锁后，将当前线程设置为占有写锁的线程，返回true。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    //获取状态
    int c = getState();
    //写线程数量（即获取独占锁的重入数）
    int w = exclusiveCount(c);
     
    //当前同步状态state != 0，说明已经有其他线程获取了读锁或写锁
    if (c != 0) {
        // 当前state不为0，此时：如果写锁状态为0说明读锁此时被占用返回false；
        // 如果写锁状态不为0且写锁没有被当前线程持有返回false
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
         
        //判断同一线程获取写锁是否超过最大次数（65535），支持可重入
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //更新状态
        //此时当前线程已持有写锁，现在是重入，所以只需要修改锁的数量即可。
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
     
    //到这里说明此时c=0,读锁和写锁都没有被获取
    //writerShouldBlock表示是否阻塞
    if (writerShouldBlock() ||
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;
     
    //设置锁为当前线程所有
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

写锁的释放过程：首先查看当前线程是否为写锁的持有者，如果不是抛出异常。然后检查释放后写锁的线程数是否为0，如果为0则表示写锁空闲了，释放锁资源将锁的持有线程设置为null，否则释放仅仅只是一次重入锁而已，并不能将写锁的线程清空。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //若锁的持有者不是当前线程，抛出异常
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //写锁的新线程数
    int nextc = getState() - releases;
    //如果独占模式重入数为0了，说明独占模式被释放
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        //若写锁的新线程数为0，则将锁的持有者设置为null
        setExclusiveOwnerThread(null);
    //设置写锁的新线程数
    //不管独占模式是否被释放，更新独占重入数
    setState(nextc);
    return free;
}

3、读锁实现

读锁获取锁的过程比写锁稍微复杂些，首先判断写锁是否为0并且当前线程不占有独占锁，直接返回；否则，判断读线程是否需要被阻塞并且读锁数量是否小于最大值并且比较设置状态成功，若当前没有读锁，则设置第一个读线程firstReader和firstReaderHoldCount；若当前线程线程为第一个读线程，则增加firstReaderHoldCount；否则，将设置当前线程对应的HoldCounter对象的值。

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    // 获取当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取状态
    int c = getState();
     
    //如果写锁线程数 != 0 ，且独占锁不是当前线程则返回失败，因为存在锁降级
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;
    // 读锁数量
    int r = sharedCount(c);
    /*
     * readerShouldBlock():读锁是否需要等待（公平锁原则）
     * r < MAX_COUNT：持有线程小于最大数（65535）
     * compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)：设置读取锁状态
     */
     // 读线程是否应该被阻塞、并且小于最大值、并且比较设置成功
    if (!readerShouldBlock() &&
        r < MAX_COUNT &&
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
        //r == 0，表示第一个读锁线程，第一个读锁firstRead是不会加入到readHolds中
        if (r == 0) { // 读锁数量为0
            // 设置第一个读线程
            firstReader = current;
            // 读线程占用的资源数为1
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) { // 当前线程为第一个读线程，表示第一个读锁线程重入
            // 占用资源数加1
            firstReaderHoldCount++;
        } else { // 读锁数量不为0并且不为当前线程
            // 获取计数器
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            // 计数器为空或者计数器的tid不为当前正在运行的线程的tid
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                // 获取当前线程对应的计数器
                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
            else if (rh.count == 0) // 计数为0
                //加入到readHolds中
                readHolds.set(rh);
            //计数+1
            rh.count++;
        }
        return 1;
    }
    return fullTryAcquireShared(current);
}

在tryAcquireShared函数中，如果下列三个条件不满足（读线程是否应该被阻塞、小于最大值、比较设置成功）则会进行fullTryAcquireShared函数中，它用来保证相关操作可以成功。其逻辑与tryAcquireShared逻辑类似。

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
 
    HoldCounter rh = null;
    for (;;) { // 无限循环
        // 获取状态
        int c = getState();
        if (exclusiveCount(c) != 0) { // 写线程数量不为0
            if (getExclusiveOwnerThread() != current) // 不为当前线程
                return -1;
        } else if (readerShouldBlock()) { // 写线程数量为0并且读线程被阻塞
            // Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
            if (firstReader == current) { // 当前线程为第一个读线程
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
            } else { // 当前线程不为第一个读线程
                if (rh == null) { // 计数器不为空
                    //
                    rh = cachedHoldCounter;
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) { // 计数器为空或者计数器的tid不为当前正在运行的线程的tid
                        rh = readHolds.get();
                        if (rh.count == 0)
                            readHolds.remove();
                    }
                }
                if (rh.count == 0)
                    return -1;
            }
        }
        if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) // 读锁数量为最大值，抛出异常
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 比较并且设置成功
            if (sharedCount(c) == 0) { // 读线程数量为0
                // 设置第一个读线程
                firstReader = current;
                //
                firstReaderHoldCount = 1;
            } else if (firstReader == current) {
                firstReaderHoldCount++;
            } else {
                if (rh == null)
                    rh = cachedHoldCounter;
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                    rh = readHolds.get();
                else if (rh.count == 0)
                    readHolds.set(rh);
                rh.count++;
                cachedHoldCounter = rh; // cache for release
            }
            return 1;
        }
    }
}

读锁的释放，tryReleaseShared方法。首先判断当前线程是否为第一个读线程firstReader，若是，则判断第一个读线程占有的资源数firstReaderHoldCount是否为1，若是，则设置第一个读线程firstReader为空，否则，将第一个读线程占有的资源数firstReaderHoldCount减1；若当前线程不是第一个读线程，那么首先会获取缓存计数器（上一个读锁线程对应的计数器 ），若计数器为空或者tid不等于当前线程的tid值，则获取当前线程的计数器，如果计数器的计数count小于等于1，则移除当前线程对应的计数器，如果计数器的计数count小于等于0，则抛出异常，之后再减少计数即可。无论何种情况，都会进入无限循环，该循环可以确保成功设置状态state。

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    // 获取当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    if (firstReader == current) { // 当前线程为第一个读线程
        // assert firstReaderHoldCount > 0;
        if (firstReaderHoldCount == 1) // 读线程占用的资源数为1
            firstReader = null;
        else // 减少占用的资源
            firstReaderHoldCount--;
    } else { // 当前线程不为第一个读线程
        // 获取缓存的计数器
        HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) // 计数器为空或者计数器的tid不为当前正在运行的线程的tid
            // 获取当前线程对应的计数器
            rh = readHolds.get();
        // 获取计数
        int count = rh.count;
        if (count <= 1) { // 计数小于等于1
            // 移除
            readHolds.remove();
            if (count <= 0) // 计数小于等于0，抛出异常
                throw unmatchedUnlockException();
        }
        // 减少计数
        --rh.count;
    }
    for (;;) { // 无限循环
        // 获取状态
        int c = getState();
        // 获取状态
        int nextc = c - SHARED_UNIT;
        if (compareAndSetState(c, nextc)) // 比较并进行设置
            // Releasing the read lock has no effect on readers,
            // but it may allow waiting writers to proceed if
            // both read and write locks are now free.
            return nextc == 0;
    }
}

五、Semaphore

1、Semaphore概述

同步信号Semaphore：在多线程环境下用于协调各个线程, 以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。信号量维护了一个许可集，我们在初始化Semaphore时需要为这个许可集传入一个数量值，该数量值代表同一时间能访问共享资源的线程数量。线程可以通过acquire()方法获取到一个许可，然后对共享资源进行操作，注意如果许可集已分配完了，那么线程将进入等待状态，直到其他线程释放许可才有机会再获取许可，线程释放一个许可通过release()方法完成。

semaphore核心方法：

//构造方法摘要
//创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的Semaphore。
Semaphore(int permits)
 
//创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore，true即为公平锁    
Semaphore(int permits, boolean fair)
 
//从此信号量中获取许可，不可中断
void acquireUninterruptibly()
 
//返回此信号量中当前可用的许可数。     
int availablePermits()
 
//获取并返回立即可用的所有许可。   
int drainPermits()
 
//返回一个 collection，包含可能等待获取的线程。      
protected  Collection getQueuedThreads();
 
//返回正在等待获取的线程的估计数目。       
int getQueueLength()
 
//查询是否有线程正在等待获取。      
boolean hasQueuedThreads()
 
//如果此信号量的公平设置为 true，则返回 true。         
boolean isFair()
 
//仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可。         
boolean tryAcquire()
 
//如果在给定的等待时间内，此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断，则从此信号量获取一个许可。       
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

semaphore类结构：
信号量Semaphore的类结构与ReetrantLock的类结构几乎如出一辙。Semaphore内部同样存在继承自AQS的内部类Sync以及继承自Sync的公平锁(FairSync)和非公平锁(NofairSync)，从这点也足以说明Semaphore的内部实现原理也是基于AQS并发组件的，在上文我们提到过，AQS是基础组件，只负责核心并发操作，如加入或维护同步队列，控制同步状态等，而具体的加锁和解锁操作交由子类完成，因此子类Semaphore共享锁的获取与释放需要自己实现，这两个方法分别是获取锁的tryAcquireShared(int arg)方法和释放锁的tryReleaseShared(int arg)方法。

2、semaphore获取共享资源过程

Semaphore的初始化值也就是state的初始化值。当我们调用Semaphore的acquire()方法后，执行过程是这样的，当一个线程请求到来时，如果state值代表的许可数足够使用，那么请求线程将会获得同步状态即对共享资源的访问权，并更新state的值(一般是对state值减1)，但如果state值代表的许可数已为0，则请求线程将无法获取同步状态，线程将被加入到同步队列并阻塞，直到其他线程释放同步状态(一般是对state值加1)才可能获取对共享资源的访问权。调用Semaphore的acquire()方法后将会调用到AQS的acquireSharedInterruptibly()。

//Semaphore的acquire()
public void acquire() throws InterruptedException {
      sync.acquireSharedInterruptibly(1);
  }
 
/**
*  注意Sync类继承自AQS
*  AQS的acquireSharedInterruptibly()方法
*/
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    //判断是否中断请求
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //如果tryAcquireShared(arg)不小于0，则线程获取同步状态成功
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //未获取成功加入同步队列等待
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

tryAcquireShared(arg)是Semaphore内部直接实现，其非公平锁实现如下：

//Semaphore中非公平锁NonfairSync的tryAcquireShared()
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    //调用了父类Sync中的实现方法
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
 
//Syn类中
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
         //使用死循环
         for (;;) {
             int available = getState();
             int remaining = available - acquires;
             //判断信号量是否已小于0或者CAS执行是否成功
             if (remaining < 0 ||
                 compareAndSetState(available, remaining))
                 return remaining;
         }
     }
}

如果尝试获取同步状态失败，那么将会执行doAcquireSharedInterruptibly(int arg)方法

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
     //创建共享模式的结点Node.SHARED，并加入同步队列
   final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
     boolean failed = true;
     try {
         //进入自旋操作
         for (;;) {
             final Node p = node.predecessor();
             //判断前驱结点是否为head
             if (p == head) {
                 //尝试获取同步状态
                 int r = tryAcquireShared(arg);
                 //如果r>0 说明获取同步状态成功
                 if (r >= 0) {
                     //将当前线程结点设置为头结点并传播              
                     setHeadAndPropagate(node, r);
                     p.next = null; // help GC
                     failed = false;
                     return;
                 }
             }
           //调整同步队列中node结点的状态并判断是否应该被挂起
           //并判断是否需要被中断，如果中断直接抛出异常，当前结点请求也就结束
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                 parkAndCheckInterrupt())
                 throw new InterruptedException();
         }
     } finally {
         if (failed)
             //结束该结点线程的请求
             cancelAcquire(node);
     }
    }

在方法中，由于当前线程没有获取同步状态，因此创建一个共享模式（Node.SHARED）的结点并通过addWaiter(Node.SHARED)加入同步队列，加入完成后，当前线程进入自旋状态，首先判断前驱结点是否为head，如果是，那么尝试获取同步状态并返回r值，如果r大于0，则说明获取同步状态成功，将当前线程设置为head并传播，传播指的是，同步状态剩余的许可数值不为0，通知后续结点继续获取同步状态，到此方法将会return结束，获取到同步状态的线程将会执行原定的任务。但如果前驱结点不为head或前驱结点为head并尝试获取同步状态失败，那么调用shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)方法判断前驱结点的waitStatus值是否为SIGNAL并调整同步队列中的node结点状态，如果返回true，那么执行parkAndCheckInterrupt()方法，将当前线程挂起并返回是否中断线程的flag。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        //获取当前结点的等待状态
        int ws = pred.waitStatus;
        //如果为等待唤醒（SIGNAL）状态则返回true
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        //如果ws>0 则说明是结束状态，
        //遍历前驱结点直到找到没有结束状态的结点
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            //如果ws小于0又不是SIGNAL状态，
            //则将其设置为SIGNAL状态，代表该结点的线程正在等待唤醒。
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
 
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        //将当前线程挂起
        LockSupport.park(this);
        //获取线程中断状态,interrupted()是判断当前中断状态，
        //并非中断线程，因此可能true也可能false,并返回
        return Thread.interrupted();
}

3、semaphore释放共享资源过程

//在Semaphore的内部类Sync中实现的
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
       for (;;) {
              //获取当前state
             int current = getState();
             //释放状态state增加releases
             int next = current + releases;
             if (next < current) // overflow
                 throw new Error("Maximum permit count exceeded");
              //通过CAS更新state的值
             if (compareAndSetState(current, next))
                 return true;
         }
        }
private void doReleaseShared() {
    /*
     * 保证释放动作(向同步等待队列尾部)传递，即使没有其他正在进行的 
     * 请求或释放动作。如果头节点的后继节点需要唤醒，那么执行唤醒 
     * 动作；如果不需要，将头结点的等待状态设置为PROPAGATE保证  
     * 唤醒传递。另外，为了防止过程中有新节点进入(队列)，这里必 
     * 需做循环，所以，和其他unparkSuccessor方法使用方式不一样 
     * 的是，如果(头结点)等待状态设置失败，重新检测。
     */ 
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            // 获取头节点对应的线程的状态
            int ws = h.waitStatus;
            // 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态，则意味着头
            //结点的后继结点所对应的线程需要被unpark唤醒。
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // 修改头结点对应的线程状态设置为0。失败的话，则继续循环。
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                // 唤醒头结点h的后继结点所对应的线程
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        // 如果头结点发生变化，则继续循环。否则，退出循环。
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}
 
 
//唤醒传入结点的后继结点对应的线程
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
      if (ws < 0)
          compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
       //拿到后继结点
      Node s = node.next;
      if (s == null || s.waitStatus > 0) {
          s = null;
          for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
              if (t.waitStatus <= 0)
                  s = t;
      }
      if (s != null)
          //唤醒该线程
          LockSupport.unpark(s.thread);
    }
  

六、CountDownLatch

1、CountDownLatch概述

CountDownLatch是同步工具类之一，可以指定一个计数值，在并发环境下由线程进行减1操作，当计数值变为0之后，被await方法阻塞的线程将会唤醒，实现线程间的同步。

CountDownLatch核心方法：

//AQS锁
private final Sync sync;
  
//初始化count个state资源
public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}
//等待获取共享资源
public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
//每次释放一个资源
public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}

CountDownLatch类流程
CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，计数器的初始值为线程的数量。每当完成一个线程完成的任务后，计数器的值减1.当计数器的值为0的时候，表示所有的线程都已经完成了任务，然后在闭锁上等待的线程就可以恢复执行任务。

2、CountDownLatch资源初始化并逐一释放资源

首先创建个count个资源的共享资源锁。

//初始化count个state资源
public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}
  
//设置初始资源count
Sync(int count) {
    setState(count);
}

countDown方法调用releaseShared释放资源：

public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
  
//countdown，每次释放1个资源，直到资源未0
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // Decrement count; signal when transition to zero
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

3、CountDownLatch await获取资源

await（）方法调用了同步器的acquireSharedInterruptibly方法，这个方法由上层AQS提供，它调用了我们重写的tryAcquireShared方法而封装了排队等待、唤醒、响应中断的细节，我们只关注自定义同步器中的tryAcquireShared方法即可：

//等待获取共享资源
public void await() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
  
//负值代表获取资源失败，非负值代表成功获取资源后剩余资源的数量。而这里当getState返回值为0的时候，我们却总是返回1，表示仍有剩余资源
  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }

await方法首先检测中断，然后试图获取，失败后进入“自旋-等待”阶段，直到成功获取或被中断。至于AQS如何运作，前文已经说明，这里不再赘述。

总结：

理解并发包重点是需要清楚重入锁、独占/非独占锁、公平/非公平锁、Node类型、Node状态、State状态、同步队列、等待队列等核心功能点