我手写了AQS实现、画了3张流程图，就是为了让你彻底搞明白AQS原理

什么是AQS

字面上来看，AQS是jdk1.5加入的java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer类，类名翻译成中文就是抽象的队列同步器。由大名鼎鼎的Doug Lea李大爷来操刀设计并开发实现。
它提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等并发类均是基于AQS来实现的，具体用法是通过继承AQS实现其模板方法，然后将子类作为同步组件的内部类。

为何要了解AQS

因为AQS是实现 Lock 的基础。想要深入了解Java的并发编程，AQS是锁的实现根基。

AQS原理

AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，将共享资源设置为锁定状态；如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。

图：AQS原理图

手动实现AQS

首先，我们模拟一个在线电商的秒杀场景。多位用户一起来抢购某件商品，看不加锁时，会不会发生超卖现象。 然后，基于AQS原理，我们实现一个AQS，看加锁之后，能否解决问题。

模拟秒杀场景

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

/**
 * 程序入口
 * created at 2020-06-27 20:00
 * @author lerry
 */
@Slf4j
public class DiyAqsDemo {
	/**
	 * 剩余库存
	 */
	private volatile int stock = 5;

	/**
	 * 模拟用户个数
	 */
	public static final long USER_COUNT = 100;

	public static void main(String[] args) {
		DiyAqsDemo diyAqsDemo = new DiyAqsDemo();
		for (int i = 0; i < USER_COUNT; i++) {
			Thread thread = new Thread(() -> diyAqsDemo.buy(), String.format("第%d位顾客的线程", i + 1));
			thread.start();
		}
	}

	/**
	 * 购买
	 */
	public void buy() {
		try {
			// 模拟购买的耗时
			Thread.sleep(10);
		}
		catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		if (stock > 0) {
			log.info("购买成功，剩余库存为：{}", this.stock);
			stock--;
		}
		else {
			log.info("购买失败，库存不足，剩余库存为：{}", this.stock);
		}
	}
}

截取部分运行结果如下

2020-07-02 06:52:22.392 [第70位顾客的线程] INFO  com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功，剩余库存为：5
2020-07-02 06:52:22.392 [第71位顾客的线程] INFO  com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功，剩余库存为：5
2020-07-02 06:52:22.392 [第73位顾客的线程] INFO  com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功，剩余库存为：5
……
2020-07-02 06:52:22.394 [第84位顾客的线程] INFO  com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功，剩余库存为：3
2020-07-02 06:52:22.397 [第98位顾客的线程] INFO  com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买失败，库存不足，剩余库存为：0
2020-07-02 06:52:22.399 [第99位顾客的线程] INFO  com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买失败，库存不足，剩余库存为：-28

可以发现，第99位顾客来购买时，库存是负的。虽然我们使用了volatile关键字来修饰库存变量，但是主内存与工作内存交互时的lock、unlock、read、load、use、assign、store、write步骤，保证不了原子性，读取每个线程拷贝了主内存的库存值到自己的工作内存，它们认为还有库存，继续购买，于是发生了超卖。

图：主内存和工作内存的交互

那么，我们实现一个AQS锁，在判断库存是否充足时，加锁，等库存修改后，再释放锁，不就解决问题了么。说干就干：

手动实现AQS

流程图如下：

图：Thread1线程获取锁
这时，Thread1尝试获取锁，队列为空，获取锁的动作，需要是原子的。这里采用sun.misc.Unsafe的compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5)函数，来保证原子性。
线程1修改state=1后，lockHolder引用指向线程1，程序获取锁成功，退出lock()方法，继续业务逻辑。

---

业务逻辑执行完成后，执行unlock()方法。首先检查当前线程是不是lockHolder指向的线程，其他线程是无权限释放锁的。 修改state=0，然后把lockHolder对象置空。如果等待队列有值，则取栈首的对象出来，然后唤醒该线程。如果等待队列没有对象，则不作处理。

图：Thread1释放锁

源码

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
import java.util.stream.Collectors;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import sun.misc.Unsafe;

/**
 * 自定义AQS
 * created at 2020-06-27 19:55
 * @author lerry
 */
@Slf4j
public class DiyAqsLock {

	/**
	 * 
	 * 使用一个Volatile的int类型的成员变量来表示同步状态
	 * 记录锁的状态 0表示没有线程持有锁
	 * >0表示有线程持有锁
	 * 
	 */
	private volatile int state = 0;

	/**
	 * 用于记录持有锁的线程
	 */
	private Thread lockHolder;

	/**
	 * 存放获取锁失败的线程对象
	 */
	private ConcurrentLinkedQueue<Thread> waiters = new ConcurrentLinkedQueue<>();

	/**
	 * 通过Unsafe进行cas操作
	 */
	private static final Unsafe unsafe = UnsafeInstance.getInstance();

	private static long stateOffset;

	static {
		try {
			stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(DiyAqsLock.class.getDeclaredField("state"));
		}
		catch (NoSuchFieldException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

	/**
	 * 加锁
	 */
	public void lock() {
		// 同步获取锁
		if (acquire()) {
			return;
		}
		Thread current = Thread.currentThread();
		log.debug("线程状态为：{}", current.getState());
		// 获取锁失败的 添加进队列里
		waiters.add(current);
		// 自旋获取锁
		for (; ; ) {
			// 如果当前线程是栈首的对象，并且获取锁成功，则在等待队列中移除栈首对象，否则继续等待
			if (current == waiters.peek() && acquire()) {
				// 移除队列
				waiters.poll();
				return;
			}
			// 让出cpu的使用权
			LockSupport.park(current);
		}
	}

	/**
	 * 获取锁
	 * @return
	 */
	private boolean acquire() {
		int state = getState();
		Thread current = Thread.currentThread();
		boolean waitCondition = waiters.size() == 0 || current == waiters.peek();
		if (state == 0 && waitCondition) {
			// 没有线程获取到锁
			if (compareAndSwapState(0, 1)) {
				log.info("获取锁成功");
				// 同步修改成功 将线程持有者修改为当前线程
				setLockHolder(current);
				return true;
			}
		}
		return false;
	}

	/**
	 * cas操作
	 * @param expect
	 * @param update
	 * @return
	 */
	public final boolean compareAndSwapState(int expect, int update) {
		return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
	}

	/**
	 * 解锁
	 */
	public void unlock() {
		System.out.printf("当前等待队列为：%s\n", waiters.stream().map(w -> w.getName()).collect(Collectors.toList()));
		// 1.校验释放锁的线程是不是当前持有锁的线程
		if (Thread.currentThread() != lockHolder) {
			throw new RuntimeException("threadHolder is not current thread");
		}
		// 2. 释放锁修改state
		if (getState() == 1 && compareAndSwapState(1, 0)) {
			log.info("释放锁成功");
			// 将锁的持有线程置为空
			setLockHolder(null);
			// 2.唤醒队列里的第一个线程
			Thread first = waiters.peek();
			if (first != null) {
				// 解除线程的阻塞
				LockSupport.unpark(first);
			}
		}
	}

	public int getState() {
		return state;
	}

	public void setLockHolder(Thread lockHolder) {
		this.lockHolder = lockHolder;
	}
}

@Slf4j
class UnsafeInstance {
	public static Unsafe getInstance() {
		try {
			Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
			field.setAccessible(true);
			return (Unsafe) field.get(null);
		}
		catch (Exception e) {
			log.error(e.getMessage(), e);
			return null;
		}
	}
}

源码关键部分解读

boolean waitCondition = waiters.size() == 0 || current == waiters.peek();

为何获取锁时，要判断这一句呢？
看流程图，如果是线程1获取锁，此时等待队列为空，可以正常获取锁，没有问题。
如果是线程2来获取锁，假设队列不为空（队列里有线程3、线程4等），为了保证排在队伍前面的线程2可以获取到锁，我们加上了current == waiters.peek()，这样就确保了公平性。先入先出。
我们试着去掉这个条件判断，在释放锁时加上当前等待队列的打印

/**
 * 解锁
 */
public void unlock() {
		System.out.printf("当前等待队列为：%s\n", waiters.stream().map(w -> w.getName()).collect(Collectors.toList()));
        ……

然后再次运行程序，结果如下：

图：插队的情况
可以看到，此时获取锁，本来排在第1位顾客后面的是第6位顾客，却被第92位顾客插队了，不是“先来先得”了。
加上waitCondition判断后，运行结果如下：

图：按照排队顺序获取锁
可以看到，这次没有人再插队了。

---

public static Unsafe getInstance()

这里获取Unsafe对象，没有直接new，因为这个类比较特殊，Java不建议用户直接使用。
查看Unsafe.getUnsafe()源码：

@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
        throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
        return theUnsafe;
    }
}

当且仅当调用getUnsafe方法的类为引导类加载器所加载时才合法，否则抛出SecurityException异常。

---

public final boolean compareAndSwapState(int expect, int update) {
	return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

cas操作，解决原子操作，确保对state进行修改是原子性的。

---

LockSupport.park(current);

当获取锁失败时，我们采用自旋的方式，让当前线程先等待。如果这里使用wait，则在notify时，我们无法准确唤醒指定的线程。而java.util.concurrent.locks.LockSupport类，则提供了public static void unpark(Thread thread)，可以唤醒指定线程。

---

Unsafe.objectFieldOffset()

//返回对象成员属性在内存地址相对于此对象的内存地址的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);

参考

图灵学院：手写高并发秒杀场景同步器锁防超卖,现场压测
手写AQS锁解决秒杀超卖 - 知乎
Java魔法类：Unsafe应用解析 - 美团技术团队

环境说明

• java -version

java version "1.8.0_251"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_251-b08)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.251-b08, mixed mode)

• OS：macOS High Sierra 10.13.4
• 日志：logback