在技術(shù)面試的時(shí)候，“說下你對 AQS 的理解”，這個(gè)問題出現(xiàn)的概率屬實(shí)不低，而一些技術(shù)底子一般的同學(xué)，又非常容易被它復(fù)雜的底層源碼弄得暈頭轉(zhuǎn)向。

今天這篇文章，我們就以做減法的方式，將這個(gè)知識(shí)點(diǎn)徹底地大家講清楚。

AQS，是 AbstractQueuedSynchronizer（抽象隊(duì)列同步器）這個(gè)類的簡稱，也是 Java JUC 包中的靈魂，ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier 都是通過其實(shí)現(xiàn)鎖或同步器的。

其核心思想為，在多線程并發(fā)訪問共享資源時(shí)，通過雙向鏈表實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)先出 CLH 隊(duì)列進(jìn)行線程排隊(duì)，并通過由 volatile 修飾的 state 變量來標(biāo)識(shí)資源的鎖占用狀態(tài)。

如下圖所示：

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在 AQS 中提供了兩種資源獲取方式：

獨(dú)占模式（Exclusive），在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取競態(tài)資源，比如：ReentrantLock。

共享模式（Share），在同一時(shí)刻可以有多個(gè)（參數(shù)設(shè)定）線程獲取競態(tài)資源，比如：CountDownLatch、Semaphore。

AQS 方法詳述

AQS 的方法大致分為三類，分別是獨(dú)占模式下的方法、共享模式下的方法、通過模板方法模式留給子類實(shí)現(xiàn)的方法。

獨(dú)占模式：

// 獲取鎖
public final void acquire(int arg) 
// 以可中斷的方式獲取鎖
public final void acquireInterruptibly(int arg)
// 以帶超時(shí)時(shí)間的方式，嘗試獲取鎖
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
// 釋放鎖
public final boolean release(int arg)

共享模式：

// 獲取鎖
public final void acquireShared(int arg)
// 以可中斷的方式獲取鎖
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
// 以帶超時(shí)時(shí)間的方式，嘗試獲取鎖
public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
// 釋放鎖
public final boolean releaseShared(int arg)

需要子類實(shí)現(xiàn)的方法：

// 嘗試獲取獨(dú)占鎖
protected boolean tryAcquire(int arg);
// 嘗試釋放獨(dú)占鎖
protected boolean tryRelease(int arg);
// 嘗試獲取共享鎖
protected int tryAcquireShared(int arg);
// 嘗試釋放共享鎖
protected boolean tryReleaseShared(int arg);
// 判斷當(dāng)前線程是否正在持有鎖
protected boolean isHeldExclusively();

看到 AQS 父類實(shí)現(xiàn)了一部分方法，也預(yù)留了一些方法讓 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier 等子類實(shí)現(xiàn)，我們想到了哪種設(shè)計(jì)模式？

是的，模板方法模式。

模板方法模式：定義一個(gè)操作中算法的框架，而將一些步驟延遲到子類中，模板方法使得子類可以不改變一個(gè)算法的結(jié)構(gòu)，即可重定義該算法的某些步驟。

使用模板方法模式，可以將一個(gè)操作的復(fù)雜流程的實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行拆分，封裝在一系列基本方法中，在抽象父類提供一個(gè)模板方法來定義整體執(zhí)行步驟，而通過其子類來覆蓋某個(gè)步驟，從而使得相同的執(zhí)行步驟可以有不同的執(zhí)行結(jié)果。

類結(jié)構(gòu)如下：

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模板方法模式的優(yōu)點(diǎn)在于：

• 代碼復(fù)用性高，父類的模板方法和具體方法都可以供多個(gè)子類復(fù)用。
• 代碼靈活性高，可根據(jù)業(yè)務(wù)迭代情況，靈活選擇哪部分復(fù)用父類具體方法，哪部分進(jìn)行子類覆蓋實(shí)現(xiàn)。

嗯，這些底層源碼的設(shè)計(jì)還是非常巧妙的，而設(shè)計(jì)模式本身也并不是有些人口中的過度設(shè)計(jì)的“花架子”。

ReentrantLock 與 AQS 

接下來我們看下，ReentrantLock 是如何通過 AQS 來實(shí)現(xiàn)鎖機(jī)制的。

兩者間的 UML 圖如下所示：

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從圖中可以看到，ReentrantLock 中有一個(gè) Sync 內(nèi)部類，Sync 繼承自 AQS，且 Sync 有兩個(gè)子類 FairSync 和 NonfairSync，分別用于實(shí)現(xiàn)公平鎖和非公平鎖。

我們梳理一下源碼，看看 ReentrantLock 如何實(shí)現(xiàn)非公平鎖的。

代碼入口如下，我們看只有兩個(gè)方法加上一個(gè)判斷。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable{


    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        final void lock() {    
            if (!initialTryLock())
                acquire(1);
            }
        }
    }     
}

來看下該方法的具體實(shí)現(xiàn)，簡而言之，該方法嘗試以獨(dú)占的方式獲取鎖。

static final class NonfairSync extends Sync {    
    final boolean initialTryLock() {        
        Thread current = Thread.currentThread();        
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            // first attempt is unguarded            
            setExclusiveOwnerThread(current);            
            return true;        
        } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) {
            int c = getState() + 1;            
            if (c < 0) // overflow                
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");      
            setState(c);            
            return true;        
        } else            
            return false;   
     }
 }

先是通過 compareAndSetState(0, 1) 方法，以原子操作的方式將 AQS 類中的 state 變量值從 0 修改到 1。

我們在上文中提到過，state 變量來標(biāo)識(shí)資源的鎖占用狀態(tài)，0 代表未占用，1 代表已占用，大于 1 則代表鎖被重入，那么該操作就是嘗試獲取鎖。

若該操作執(zhí)行成功，則通過 setExclusiveOwnerThread(current) 作用是將當(dāng)前線程設(shè)置為持有獨(dú)占鎖的線程，并返回 true，代表獲取鎖成功了。

再往下分析 getExclusiveOwnerThread() == current，這是判斷當(dāng)前線程是否已獲取該鎖且處于未釋放的狀態(tài)，若判斷成立則將 state 變量+1代表重入，并返回 true 表示獲取鎖成功。

btw：從這段代碼邏輯上看，知道為什么叫非公平鎖了吧，一上來并沒有通過 AQS 排隊(duì)，而且先去爭搶鎖。

接下來我們繼續(xù)來看acquire(1)方法，代碼如下：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg))
            acquire(null, arg, false, false, false, 0L);
    }
}

方法體重有兩個(gè)方法加上一個(gè)判斷，先來看 tryAcquire(arg) 方法的執(zhí)行邏輯。

static final class NonfairSync extends Sync {
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        if (getState() == 0 && compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }
}

這塊代碼的邏輯竟然跟上面 initialTryLock() 方法的前半段幾乎一樣，先是通過 compareAndSetState(0, 1) 方法將 AQS 類中的 state 變量值從 0 修改到 1。

若該操作執(zhí)行成功，則通過 setExclusiveOwnerThread(current) 作用是將當(dāng)前線程設(shè)置為持有獨(dú)占鎖的線程，并返回 true，代表獲取鎖成功了。

btw：果然是非公平鎖啊，這是誓要將插隊(duì)爭搶鎖進(jìn)行到底了。

下面就是 AQS 中的重頭戲了，acquire(null, arg, false, false, false, 0L)方法，實(shí)現(xiàn)排隊(duì)獲取鎖。

代碼實(shí)現(xiàn)如下：

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這塊代碼并非主業(yè)務(wù)鏈路，先是進(jìn)行了三個(gè)判斷，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不是 first 節(jié)點(diǎn)和 head 節(jié)點(diǎn)，且前驅(qū)結(jié)點(diǎn)不為null。

btw：head 節(jié)點(diǎn)可以理解為“當(dāng)前持有獨(dú)占鎖的線程”，而在 head 節(jié)點(diǎn)之后的線程都處于阻塞、等待被喚醒的狀態(tài)，而 first 節(jié)點(diǎn)則是同步隊(duì)列中第一個(gè)等待獲取鎖的線程。

接下來 pred.status < 0 代表前驅(qū)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被取消，結(jié)果為 true 則做一次等待隊(duì)列清理。

而 pred.prev == null 則是判斷前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是否為 null，結(jié)果為 true 則跳到下一次循環(huán)中。

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這段代碼的意思是，在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為 first 節(jié)點(diǎn)或前驅(qū)節(jié)點(diǎn)為 null （未入隊(duì)）的情況下，繼續(xù)通過 tryAcquire(arg) 方法嘗試獲取鎖。

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這段代碼看起來比較復(fù)雜，其實(shí)也是有邏輯性的。

1、前兩個(gè)大的邏輯分支判斷的意思是，先創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)占節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)加入到 CLH 隊(duì)列的尾部。

2、如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為 first 節(jié)點(diǎn)，且自旋數(shù)大于 0，則繼續(xù)嘗試自旋獲取鎖。

3、將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值設(shè)置為“等待中”。

4、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)自旋失敗，使用 LockSupport.pack() 方法掛起線程。

5、當(dāng)獨(dú)占鎖被釋放，隊(duì)列中的 first 節(jié)點(diǎn)的線程將被喚醒，清除當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的等待狀態(tài)。