object monitor中由cxq栈和entry list来实现阻塞队列，wait set实现等待队列，从而实现synchronized的等待/通知模式

而JDK中的JUC并发包也通过类似的阻塞队列和等待队列实现等待/通知模式

这篇文章就来讲讲JUC的基石AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

需要了解的前置知识：CAS、volatile

如果不了解CAS可以看上篇讲述synchronized的文章（链接在上面）

如果不了解volatile可以看这篇文章 5个案例和流程图让你从0到1搞懂volatile关键字

本篇文章以AQS为中心，深入浅出描述AQS中的数据结构、设计以及获取、释放同步状态的源码流程、Condition等

观看本文大约需要10分钟，可以带着几个问题去观看

1. 什么是AQS，它是干啥用的？
2. AQS是使用什么数据结构实现的？
3. AQS获取/释放同步状态是如何实现的？
4. AQS除了具有synchronized的功能还拥有什么其他特性？
5. AQS如何去实现非公平锁、公平锁？
6. 什么是Condition？它跟AQS是什么关系？

AQS数据结构

什么是AQS呢？

AQS是一个同步队列（阻塞队列），是并发包中的基础，很多并发包中的同步组件底层都使用AQS来实现，比如：ReentrantLock、读写锁、信号量等等...

AQS有三个重要的字段，分别是: head 头节点、tail 尾节点、state 同步状态

java

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publicabstractclassAbstractQueuedSynchronizerextendsAbstractOwnableSynchronizerimplementsjava.io.Serializable {//头节点privatetransientvolatile Node head;//尾节点privatetransientvolatile Node tail;//同步状态privatevolatileint state; }

头尾节点很好理解，因为AQS本身就是个双向链表，那么state同步状态是什么？

AQS中使用同步状态表示资源，然后使用CAS来获取/释放资源，比如设置资源为1，一个线程来尝试获取资源，由于同步状态目前为1，于是该线程CAS替换同步状态为0，成功后表示获取到资源，之后其他线程再来获取资源就无法获取了（状态为0），直到获取资源的线程来释放资源

上述获取/释放资源也可以理解成获取/释放锁

同时三个字段都被volatile修饰，用volatile来保证内存可见性，防止其他线程修改这些数据时当前线程无法感知

通过上面的描述，我们可以知道AQS大概长这样

当某个线程获取资源失败时，会被构建成节点加入AQS中

节点Node是AQS中的内部类，Node中有些重要的字段一起来看看

java

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staticfinalclassNode {//节点状态volatileint waitStatus;//前驱节点volatile Node prev;//后继节点volatile Node next;//当前节点所代表的线程volatile Thread thread;//等待队列使用时的后继节点指针 Node nextWaiter;}

prev、next、thread应该都好理解

AQS同步队列和等待队列都使用这种节点，当等待队列节点被唤醒出队时，方便加入同步队列

nextWaiter就是用于节点在等待队列中指向下一个节点

waitStatus表示节点的状态

不太理解状态不要紧，我们后文遇到再说

经过上面的描述，节点大概是长成这样的

AQS中还有另外一个内部类ConditionObject用于实现等待队列/条件队列，我们后文再来说说

AQS中可以分为独占、共享模式，其中这两种模式下还可以支持响应中断、纳秒级别超时

独占模式可以理解为同一时间只有一个线程能够获取同步状态

共享模式可以理解为可以有多个线程能够获取同步状态，方法中常用shared标识

方法中常用acquire标识获取同步状态，release标识释放同步状态

这些方法都是模板方法，规定流程，将具体的实现留给实现类去做（比如获取同步状态，该如何获取交给实现类去实现）

独占式

独占式实际就是时刻上只允许一个线程独占该资源，多线程竞争情况下也只能有一个线程获取同步状态成功

获取同步状态

不响应中断的独占获取和响应中断、超时的类似，我们以acquire为例查看源码

java

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publicfinalvoidacquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }

tryAcquire 方法用于尝试获取同步状态，参数arg表示获取多少同步状态，获取成功返回true 则会退出方法，留给实现类去实现

addWaiter

addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 构建独占式节点，并用CAS+失败重试的方式加入AQS的末尾

java

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private Node addWaiter(Node mode) {//构建节点Nodenode=newNode(Thread.currentThread(), mode);//尾节点不为空则CAS替换尾节点Nodepred= tail;if (pred != null) { node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node;return node; } }//尾节点为空或则CAS失败执行enq enq(node);return node; }

java

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private Node enq(final Node node) {//失败重试for (;;) {Nodet= tail;//没有尾节点 则CAS设置头节点（头尾节点为一个节点），否则CAS设置尾节点if (t == null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(newNode())) tail = head; } else { node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node;return t; } } } }

enq方法主要以自旋（中途不会进入等待模式）去CAS设置尾节点，如果AQS中没有节点则头尾节点为同一节点

由于添加到尾节点存在竞争，因此需要用CAS去替换尾节点

acquireQueued

acquireQueued方法主要用于AQS队列中的节点来自旋获取同步状态，在这个自旋中并不是一直执行的，而是会被park进入等待

java

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finalbooleanacquireQueued(final Node node, int arg) {//记录是否失败booleanfailed=true;try {//记录是否中断过booleaninterrupted=false;//失败重试 for (;;) {//p 前驱节点finalNodep= node.predecessor();//如果前驱节点为头节点，并尝试获取同步状态成功则返回if (p == head && tryAcquire(arg)) {//设置头节点 setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false;return interrupted; }//失败则设置下标记然后进入等待检查中断if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally {//如果失败则取消获取if (failed) cancelAcquire(node); }}

在尝试获取同步状态前有个条件p == head && tryAcquire(arg)：前驱节点是头节点

因此AQS中的节点获取状态是FIFO的

但即使满足前驱节点是头节点，并不一定就能获取同步状态成功，因为还未加入AQS的线程也可能尝试获取同步状态，以此来实现非公平锁

那如何实现公平锁呢？

在尝试获取同步状态前都加上这个条件就行了呗！

再来看看shouldParkAfterFailedAcquire 获取同步状态失败后应该停放

java

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privatestaticbooleanshouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {//前驱节点状态intws= pred.waitStatus;if (ws == Node.SIGNAL)//前驱节点状态是SIGNAL 说明前驱释放同步状态回来唤醒 直接返回returntrue;if (ws > 0) {//如果前驱状态大于0 说明被取消了,就一直往前找,找到没被取消的节点do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0);//排在没被取消的节点后面 pred.next = node; } else {//前驱没被取消,而且状态不是SIGNAL CAS将状态更新为SIGNAL,释放同步状态要来唤醒 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); }returnfalse;}

实际上是park前的一些准备

再来看看 parkAndCheckInterrupt ，用工具类进入等待状态，被唤醒后检查是否中断

java

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privatefinalbooleanparkAndCheckInterrupt() {//线程进入等待状态... LockSupport.park(this);//检查是否中断 (会清除中断标记位)return Thread.interrupted();}

在acquireQueued的中如果未获取同步状态并且抛出异常，最终会执行cancelAcquire取消

当感知到中断时返回true回去，来到第一层acquire方法执行selfInterrupt方法，自己中断线程

acquire流程图：

1. 先尝试获取同步状态失败则CAS+失败重试添加到AQS末尾

2. 前驱节点为头节点且获取同步状态成功则返回，否则进入等待状态等待唤醒，唤醒后重试

3. 在2期间发生异常取消当前节点

释放同步状态

先进行释放同步状态，成功后头节点状态不为0 唤醒下一个状态不是被取消的节点

java

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publicfinalbooleanrelease(int arg) {//释放同步状态if (tryRelease(arg)) {Nodeh= head;if (h != null && h.waitStatus != 0)//唤醒下一个状态不大于0（大于0就是取消）的节点 unparkSuccessor(h);returntrue; }returnfalse;}

响应中断

acquireInterruptibly用于响应中断的获取同步状态

java

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publicfinalvoidacquireInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {//查看是否被中断，中断抛出异常if (Thread.interrupted())thrownewInterruptedException();if (!tryAcquire(arg)) doAcquireInterruptibly(arg);}

doAcquireInterruptibly 与原过程类似，就是在被唤醒后检查到被中断时抛出中断异常

java

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privatevoiddoAcquireInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {finalNodenode= addWaiter(Node.EXCLUSIVE);booleanfailed=true;try {for (;;) {finalNodep= node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false;return; }if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())//被唤醒后检查到被中断时抛出中断异常thrownewInterruptedException(); } } finally {if (failed) cancelAcquire(node); } }

响应中断的获取同步状态被中断时会直接抛出中断异常，而不响应的是自己中断

响应超时

响应超时的获取同步状态使用tryAcquireNanos 超时时间为纳秒级别

java

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publicfinalbooleantryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())thrownewInterruptedException();return tryAcquire(arg) || doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);}

可以看出响应超时同时也会响应中断

doAcquireNanos也与原过程类似

java

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privatebooleandoAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)throws InterruptedException {if (nanosTimeout <= 0L)returnfalse;finallongdeadline= System.nanoTime() + nanosTimeout;finalNodenode= addWaiter(Node.EXCLUSIVE);booleanfailed=true;try {for (;;) {finalNodep= node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false;returntrue; }//还有多久超时 nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();if (nanosTimeout <= 0L)//已超时returnfalse;if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//大于1ms nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)//超时等待 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);//响应中断if (Thread.interrupted())thrownewInterruptedException(); } } finally {if (failed) cancelAcquire(node); } }

响应超时在自旋期间会计算还有多久超时，如果大于1ms就等待对应的时间，否则就继续自旋，同时响应中断

共享

共享式就是允许多个线程同时获取一定的资源，比如信号量、读锁就是用共享式实现的

其实共享式与独占式流程类似，只是尝试获取同步状态的实现不同

我们用个获取同步状态的方法来说明

共享式获取同步状态使用acquireShared

java

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publicfinalvoidacquireShared(int arg) {if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg);}

tryAcquireShared 尝试获取同步状态，参数arg表示获取多少同步状态，返回剩余可获取同步状态的数量

如果剩余可获取同步状态数量小于0 说明 未获取成功进入doAcquireShared

java

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privatevoiddoAcquireShared(int arg) {//添加共享式节点finalNodenode= addWaiter(Node.SHARED);booleanfailed=true;try {booleaninterrupted=false;for (;;) {//获取前驱节点finalNodep= node.predecessor();if (p == head) {intr= tryAcquireShared(arg);if (r >= 0) {//如果前驱节点为头节点 并且 获取同步状态成功 设置头节点 setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GCif (interrupted) selfInterrupt(); failed = false;return; } }//获取失败进入会等待的自旋if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally {if (failed) cancelAcquire(node); } }

响应中断、超时等方法也与独占式类似，只是有些设置细节不同

Condition

上文曾说过AQS充当阻塞（同步）队列，Condition来充当等待队列

AQS的内部类ConditionObject就是Condition的实现，它充当等待队列，用字段记录头尾节点

java

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publicclassConditionObjectimplementsCondition{//头节点privatetransient Node firstWaiter;//尾节点privatetransient Node lastWaiter; }

节点之间使用nextWait指向下一个节点，形成单向链表

同时提供await系列方法来让当前线程进入等待，signal系列方法来唤醒

java

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publicfinalvoidawait()throws InterruptedException {//响应中断if (Thread.interrupted())thrownewInterruptedException();//添加到末尾 不需要保证原子性，因为能指向await一定是获取到同步资源的Nodenode= addConditionWaiter();//释放获取的同步状态intsavedState= fullyRelease(node);intinterruptMode=0;//不在同步队列就park进入等待while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this);if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)break; }//被唤醒后自旋获取同步状态if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT;//取消后清理if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters();if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }

await主要将节点添加到condition object末尾，释放获取的同步状态，进入等待，唤醒后自旋获取同步状态

signal的主要逻辑在transferForSignal中

java

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finalbooleantransferForSignal(Node node) {//CAS修改节点状态 失败返回 变成取消if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))returnfalse;//加入AQS末尾Nodep= enq(node);intws= p.waitStatus;//CAS将节点状态修改为SIGNAL 成功则唤醒节点if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread);returntrue; }

signal 主要把状态从-2condition 修改为 0（失败则取消节点）， 然后加入AQS的末尾，最后再将状态该为-1 signal，成功则唤醒节点

为什么加入AQS末尾还是使用enq去CAS+失败重试操作保证原子性呢？

因为ConditionObject允许有多个，也就一个AQS同步队列可能对应多个Condition等待（条件）队列

总结

本篇文章以AQS为核心，深入浅出的描述AQS实现的数据结构、设计思想、获取/释放同步资源的源码级流程、Condition等

AQS使用头尾节点来实现双向队列，提供同步状态和获取/释放同步状态的模板方法来实现阻塞（同步）队列，并且这些字段使用volatile修饰，保证可见性与读取的场景配合，不需要保证原子性，在写的场景下常用CAS保证原子性

AQS与Condition使用相同类型的节点，在AQS中节点维护成双向链表，在Condition中节点维护成单向链表，节点除了维护指向关系，还需要记录对应线程和节点状态

AQS分为独占式和共享式，使用独占式时只允许一个线程获取同步状态，使用共享式时则允许多个线程获取同步状态；其中还提供响应中断、等待超时的类似方法

获取同步状态：先尝试获取同步状态，如果失败则CAS+失败重试的方式将节点添加到AQS末尾，等待被前驱节点唤醒；只有当前驱节点为头节点并且获取同步状态成功才返回，否则进入等待，被唤醒后继续尝试（自旋）；在此期间如果发生异常，在抛出异常前会取消该节点

释放同步状态：尝试释放同步状态，成功后唤醒后继未被取消的节点

在获取同步状态时，被唤醒后会检查中断标识，如果是响应中断的则会直接抛出中断异常，不响应的则是在最外层自己中断

响应超时时，在自旋获取同步状态期间会计时，如果距离超时小于1ms就不进入等待的自旋，大于则再等待对应时间

AQS充当阻塞队列，Condition充当它的等待队列来实现等待/通知模式，AQS的内部类ConditionObject在await时会加入Condition末尾并释放同步状态进入等待队列，在被唤醒后自旋（失败会进入等待）获取同步状态；在single时会CAS的将condition头节点并加入AQS尾部再去唤醒（因为一个AQS可能对应多个Condition因此要CAS保证原子性）