从源码角度带你理解AQS
作者编写本文的方式，同时建议给您一种阅读方式：
- 本文所有的代码都是源码，可在JDK8中找到，讲解的代码无删减都在本文；
- 本文的所有代码块及其中的属性和方法，均采用从上到下顺序讲解；
- 本文代码中文注释才是重点，注释顺序也是按照从上到下阅读；
- 如有错误和建议、提问等，都可以与我联系，互相学习哦！
1. 下面这三个字段是AQS这个类自己的属性定义，我们先理解一下，AQS想要定义一个什么样的东西：
/**
* Head of the wait queue, lazily initialized. Except for
* initialization, it is modified only via method setHead. Note:
* If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be
* CANCELLED.
*/
private transient volatile Node head;
/**
* Tail of the wait queue, lazily initialized. Modified only via
* method enq to add new wait node.
*/
private transient volatile Node tail;
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
2. 首先，先大致理解下这些属性的意义：
- head：一个头节点；
- tail：一个尾节点。咦？！这不是LinkedList的双向链表结构嘛，其实人家真正的名字叫CLH同步队列；
- state：那这个就是链表全局的同步状态的标识喽，先透露一下，这个值可以被用来做重入锁的次数。
private static final long stateOffset; // CAS字段偏移量，对应的是 AQS中 state属性操作
// 全局唯一方法，外部类只能通过这个方法来操纵 state属性
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
请看如下代码步骤和详细注释，一个完整的加锁入口 acquire()方法(形如：Lock.lock())：
// 获取锁的开始方法，参数是一个状态次数（你也可以叫重入次数）
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && // 先尝试获取一次锁，获取不到就是False，获取到那直接就获取了锁，就不用操作其他的了
// 当尝试一次后获取不到，addWaiter方法就开始加入CLH队列了（Node.EXCLUSIVE为独占锁模式，可先忽略）
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // acquireQueued方法在下个小节中讲解
selfInterrupt();
}
/**
* 把一个新节点（抢占线程）插入链表尾部
*（整体操作和双向链表一直，唯一区别是链表节点中的前驱和后驱节点的修改需要加 CAS锁）
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 先尝试一次将新节点快速插入链表尾部，如果CAS失败，则进入接下来的enq方法。
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 循环将新节点插入链表尾部，直到插入成功（其实与上面先尝试一次大致相同，唯一区别是加入了链表为空的处理，一切为了性能，哈哈哈）
enq(node);
return node;
}
把上面代码的注释看完后，我们先暂停一下，此时我们已经或多或少的知道AQS的整体是一个同步队列了，也大致可以想象一个CLH同步队列的样子了，也知道怎样将一个线程（节点）放入CLH队列中了，唯一的模糊在于同步状态 state有什么用，在哪里用？
如果只局限于AQS这个抽象类来说，其并没有定义重入的概念，但是支持重入锁的扩展设计的。
它只抽象于CLH的同步队列的处理，而重入的概念是交由像ReentrantLock、Sync等高层次类去实现的。
从抽象层面来说，它提供了status字段来让你自定义标识，同时还提供了像tryAcquire、tryRelease的扩展方法来让你实现自己的效果。
【自行脑补插入一个CLH同步队列图，其实就是一个双向链表】
3. 接下来我们先全局的看下，加入队列的节点（线程）接下来要做哪些事情：
/**
* 这个方法的目的，就是教你怎样去排队等待。
* 例：
* 就像排队买早点一样，只有一个窗口。某一天，你来的早不如来的巧，正好前面一小美女刚买完早点，你就直接问老板要了个豆腐脑，老板直接给你了（头节点一次尝试）。
* 第二天，我的妈，这么老长的队，你前面有人上班等不及了提前跑了（线程中止前移），那你就能往前走走。
* 这个早点铺呢，还有个奇葩又人人遵守的规矩，买完饭的人要向后面那个人打个招呼?!（线程等待释放通知）
*
* @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; // 当前节点失败标识
try {
boolean interrupted = false; // 当前节点中断标识
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); // 获取前驱节点
// 如果前驱节点是头节点（或者说你马上就轮到你运行了，你在链表第二位），
// 同时再尝试一次获取锁操作（说不定头节点已经释放锁了，我直接就获取到了呢）
// 其中一个不满足则跳过（不是头节点或没获取到锁）
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 设置一个合适的链表节点位置（也可以称为合适时机）让其线程等待，（在此期间，可能会有前驱节点中断或者已运行完成等情况，所以要设置一个合理位置）
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 如果找到合适时机（true），则触发逻辑表达式 parkAndCheckInterrupt方法调用让线程等待
// 此时，线程在此进入wait的状态，等待其他线程唤醒或者被中止，这是重点，后续让你了解如何解锁的
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node); // 执行失败移除，或通知后续节点继续，第 5 小节会细说
}
}
/**
* 设置一个合适的链表节点位置（也可以称为合适时机）让其线程等待，（在此期间，可能会有前驱节点中断或者已运行完成等情况，所以要设置一个合理位置）
*
* @param pred node's predecessor holding status
* @param node the node
* @return {@code true} if thread should block
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* 前驱节点的 waitStatus = SIGNAL状态表示：后继节点需要被通知释放（后驱节点这时候在一直阻塞等待）
*/
return true;
if (ws > 0) { // waitStatus 状态大于0，代表的是线程已经取消或终止了
/*
* 我们找到前驱节点没有被取消或终止的那一个。就像早点铺来不及排队的人走掉一样，你要接上这个队伍，然后重试获取一个等待时机
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* 大致意思就是，告知前驱节点，你执行完后，我需要被通知释放，然后重新获取一次等待时机
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
/**
* 执行线程阻塞等待，并在唤醒后检查线程是否中止
*
* @return {@code true} if interrupted
*/
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
看到这里，我们已了解到加入CLH队列的节点（线程）会自己做一些排队的处理，我们也该再整理一下Node节点的属性和作用了，这样我们再反过来回顾一下，会更加清晰！
4. Node节点的属性和意义：
- waitStatus：我们在上文中看到了大量的该状态，主要代表节点的等待状态表示方式，具体看注释；
- prev：关联前驱节点；
- next：关联后驱节点；
- thread：节点绑定的工作线程；
- nextWaiter：锁的模式，我们在起初的获取锁的入口方法里，有一个Node.EXCLUSIVE，代表是独占模式。
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
// 下面这些字段，代表着 waitStatus的一些状态值
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled ，取消或终止*/
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking ，需要唤醒下个节点*/
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition ，使用Condition方式形成的等待，可先忽略，后续在讲*/
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should unconditionally propagate ，共享锁下的无条件传播模式，后续在讲
*/
static final int PROPAGATE = -3;
5. 节点（线程）中断或者失败的释放
在第 3 小节中，我们已经成功的线程持有锁或者加入CLH的等待队列中，但是还没完。
我们知道，线程会有被终止的风险，或者加锁失败，那后续这个节点还在队列中，那怎么办呢？
请看下面详细源码及注释：
/**
* 取消获取锁操作
*
* @param node the node
*/
private void cancelAcquire(Node node) {
// Ignore if node doesn't exist
if (node == null)
return;
node.thread = null; // 先将持有线程设置为 null
// 跳过所有被终止或失败的前驱节点，去找正常的前驱节点
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// 获取前驱节点的后驱节点，理论上此时在高并发情况下，该next可能已经不是node
Node predNext = pred.next;
// 这个设置不需要CAS，因为在别的节点检查时，会跳过该节点
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// 如果当前节点为CLH尾节点，并且可以原子性的修改尾节点，则直接完成取消操作（此时，没有人排在你后面）
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
// 如果有人还在你后面排队，那你就要通知他释放或者前移
// 当你前面排队的人很多（当前节点不是头节点后面那个），则尝试告知前面那个人说：你一会去通知我后面那个人，我等不及买早点了撤了（前提是，你后面有人且他打算继续排队）。
int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
// 如果上面情况都没一次性尝试成功，那么就按个的进行尝试通知，让队伍接上（唤醒后驱节点）
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}
/**
* 唤醒后驱节点
*
* @param node the node
*/
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* 这种情况时正常解锁判断的，我们后续在解锁中会讲，目前已取消是必然的 waitStatus = CANCELLED > 0
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* 我们开始找后驱节点，如果后驱节点不存在或者后驱节点也处于终止状态，
* 则干脆直接从CLH尾部开始向前找合适的后驱节点，找到之后，通知其释放等待
*/
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)
LockSupport.unpark(s.thread); // 通知后驱释放等待，开始获取锁
}
至此，一个简单且完整的获取锁操作便完成了他的工作。
注：当你深度思考后，你会发现，当AQS在某种情况下，会有概率出现静默问题，但这应该是极小的情况，可以忽略。静默问题指中间链表中断，此时前驱无任务，后驱需要重新从tail找到可用节点所需时间内静默的状态，我称其为静默状态。
6. 利用AQS如何完成解锁的操作
解锁就简单很多了，比较在加锁中也有解锁的身影了？哪里哦，你个赖皮？？答案就是节点终止或失败。
请看如下代码步骤和详细注释，一个完整的解锁入口 release()方法(形如：Lock.unlock())：
/**
* 释放节点（线程），tryRelease()是抽象方法，交由上层具体类实现，其意思是尝试一次解锁
*
* @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)) { // 尝试一次解锁
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0) // 当头节点不为空且包含有信号通知时，则出发释放通知（向后驱节点发送）
unparkSuccessor(h); // 这个就是第五小节基本一致了（终止操作）
return true;
}
return false;
}
到此，整个一套加锁、解锁的流程就走通了，但上面简述的只是独占锁的方式。
7. 共享锁的了解
本章节节中，如果与独占锁相同的逻辑地方不再讲述，只会一笔带过。对于共享锁，原理大致和独占相似，
最大的不同就是共享锁中 setHeadAndPropagate方法，设置头节点，然后通知后驱共享节点释放。
// 共享方式获取，入口
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0) // 尝试一次获取锁，继承AQS实现
doAcquireShared(arg); // 循环尝试获取共享锁
}
/**
* 共享模式下，和独占锁模式先逻辑大致相同：把一个新节点（抢占线程）插入链表尾部
* @param arg the acquire argument
*/
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED); // 在独占锁中 addWaiter的入参是Node.EXCLUSIVE
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg); // 独占锁模式返回的是boolean值，共享模式返回int值，负值为获取失败
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r); // 最大的区别在这里，我们在下面看下这个方法
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* Sets head of queue, and checks if successor may be waiting
* in shared mode, if so propagating if either propagate > 0 or
* PROPAGATE status was set.
*
* 由于是共享模式，极端情况下可能会同时存在于两个节点竞争head，前提是在一次尝试后为获取到锁，
* 理论上，共享模式下在最早的第一次 tryAcquireShared调用下就可以成功，除非资源不够才会调用 addWait放入队列。
*
* @param node the node
* @param propagate the return value from a tryAcquireShared
*/
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below 第一次设置前没有head节点
setHead(node); // 在独占模式中，仅仅只用调用这一个方法
// 如果尝试获取成功，则设置该节点为头节点，
// 保证 propagate资源足够、头节点为null（没有正在运行的节点）、需要通知后驱节点状态的其中一个条件的情况下，
// 且后驱节点是null或是共享模式，则依次传播释放其他正在等待的共享节点
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared(); // 共享传播，释放其他共享节点
}
}
// 共享模式下的释放通知，包括解锁，也采用该方法
private void doReleaseShared() {
// 依次唤醒下一个节点，当排队节点阻塞等待时，一定会设置好前驱节点的通知状态
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
注：doReleaseShared()方法需要结合上下文看，这玩意挺绕人，哈哈哈！
求助：
我猜测一个问题，假设没有acquireShared方法中那第一次尝试获取，当 头节点和当前节点同时进入setHeadAndPropagate方法时，当前节点会替换掉头节点，原来的头节点已经消失。此时，无法修改原来头节点的 waitStatus通知状态，且当前节点既是head又是tail，导致在通知时直接跳过，也不做任何释放，难道CLH队列一直保留着最后一个废弃的节点？？？
下面这个操作一方面是设置头节点，另一方面是不是移除必要信息，形成一个空头节点（只有next属性）呢？
如有大神请帮忙展开讲讲，谢谢！
/**
* Sets head of queue to be node, thus dequeuing. Called only by
* acquire methods. Also nulls out unused fields for sake of GC
* and to suppress unnecessary signals and traversals.
*
* @param node the node
*/
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}