AbstractQueuedSynchronizer 중국어 번역은 동기화 장치, 줄여서 AQS라고 하며 이는 ReentrantLock, CountDownLatch 등과 같은 다양한 잠금의 기반입니다. 우리가 자주 사용하는 이러한 잠금의 기본 구현은 AQS이므로 잘 배우십시오. AQS는 나중에 잠금 구현을 이해하는 데 매우 중요합니다.
잠금 장의 내용은 다음과 같습니다.
1: AQS 소스 코드가 많이 있습니다. 먼저 기본 원칙을 명확히 하기 위해 두 섹션으로 나눌 것입니다.
2: 우리는 일반적으로 사용하지 않습니다. AQS를 사용하고 ReentrantLock 및 CountDownLatch와 같은 잠금의 경우 소스 코드를 설명하기 위해 두 개의 잠금을 예로 사용합니다. AQS를 이해하고 잠금의 목적을 아는 한 다음을 수행할 수 있기 때문입니다. AQS를 사용하여 구현하세요.
3: 잠금 인터뷰 질문 요약
4: 직장에서 잠금 사용 시나리오를 요약하고 몇 가지 실제 예를 제공하고 잠금 사용 시 어떤 예방 조치를 취해야 하는지 확인하세요. 마지막으로 우리가 직접 Lock을 구현해 보도록 하겠습니다. 우리가 Lock을 직접 구현한다면 어떤 단계를 거쳐야 하는지, 어떤 점에 주의해야 하는지 살펴보겠습니다.
ps: 이 장의 내용에는 대기열에 대한 기본 지식이 많이 필요합니다. 4장의 대기열을 읽지 않은 분들은 대기열 장을 먼저 읽어 보시기 바랍니다.
1. 전체 아키텍처
이 다이어그램은 AQS의 전체 아키텍처 구성과 일부 시나리오의 동적 흐름을 요약합니다. 다이어그램의 포인트는 누구나 쉽게 볼 수 있도록 설명합니다.
다음으로, 이 사진의 각 세부 사항을 살펴보겠습니다.
1.1. 클래스 주석
1.2. 클래스 정의
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
두 가지 사항을 볼 수 있습니다.
AbstractOwnableSynchronizer를 상속하는 것입니다. AbstractOwnableSynchronizer의 기능은 현재 잠금을 획득한 스레드를 파악하는 것입니다.
首先我们来看一下简单属性有哪些：
// 同步器的状态，子类会根据状态字段进行判断是否可以获得锁 // 比如 CAS 成功给 state 赋值 1 算得到锁，赋值失败为得不到锁， CAS 成功给 state 赋值 0 算释放锁，赋值失败为释放失败 // 可重入锁，每次获得锁 +1，每次释放锁 -1 private volatile int state; // 自旋超时阀值，单位纳秒 // 当设置等待时间时才会用到这个属性 static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;
最重要的就是 state 属性，是 int 属性的，所有继承 AQS 的锁都是通过这个字段来判断能不能获得锁，能不能释放锁。
首先我们介绍以下同步队列：当多个线程都来请求锁时，某一时刻有且只有一个线程能够获得锁（排它锁），那么剩余获取不到锁的线程，都会到同步队列中去排队并阻塞自己，当有线程主动释放锁时，就会从同步队列头开始释放一个排队的线程，让线程重新去竞争锁。
所以同步队列的主要作用阻塞获取不到锁的线程，并在适当时机释放这些线程。
同步队列底层数据结构是个双向链表，我们从源码中可以看到链表的头尾，如下：
// 同步队列的头。 private transient volatile Node head; // 同步队列的尾 private transient volatile Node tail;
源码中的 Node 是同步队列中的元素，但 Node 被同步队列和条件队列公用，所以我们在说完条件队列之后再说 Node。
首先我们介绍下条件队列：条件队列和同步队列的功能一样，管理获取不到锁的线程，底层数据结构也是链表队列，但条件队列不直接和锁打交道，但常常和锁配合使用，是一定的场景下，对锁功能的一种补充。
条件队列的属性如下：
// 条件队列，从属性上可以看出是链表结构 public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; // 条件队列中第一个 node private transient Node firstWaiter; // 条件队列中最后一个 node private transient Node lastWaiter; }
ConditionObject 我们就称为条件队列，我们需要使用时，直接 new ConditionObject () 即可。
ConditionObject 是实现 Condition 接口的，Condition 接口相当于 Object 的各种监控方法，比如 Object#wait ()、Object#notify、Object#notifyAll 这些方法，我们可以先这么理解，后面会细说。
Node 非常重要，即是同步队列的节点，又是条件队列的节点，在入队的时候，我们用 Node 把线程包装一下，然后把 Node 放入两个队列中，我们看下 Node 的数据结构，如下：
static final class Node { /** * 同步队列单独的属性 */ //node 是共享模式 static final Node SHARED = new Node(); //node 是排它模式 static final Node EXCLUSIVE = null; // 当前节点的前节点 // 节点 acquire 成功后就会变成head // head 节点不能被 cancelled volatile Node prev; // 当前节点的下一个节点 volatile Node next; /** * 两个队列共享的属性 */ // 表示当前节点的状态，通过节点的状态来控制节点的行为 // 普通同步节点，就是 0 ，条件节点是 CONDITION -2 volatile int waitStatus; // waitStatus 的状态有以下几种 // 被取消 static final int CANCELLED = 1; // SIGNAL 状态的意义：同步队列中的节点在自旋获取锁的时候，如果前一个节点的状态是 SIGNAL，那么自己就可以阻塞休息了，否则自己一直自旋尝试获得锁 static final int SIGNAL = -1; // 表示当前 node 正在条件队列中，当有节点从同步队列转移到条件队列时，状态就会被更改成 CONDITION static final int CONDITION = -2; // 无条件传播,共享模式下，该状态的进程处于可运行状态 static final int PROPAGATE = -3; // 当前节点的线程 volatile Thread thread; // 在同步队列中，nextWaiter 并不真的是指向其下一个节点，我们用 next 表示同步队列的下一个节点，nextWaiter 只是表示当前 Node 是排它模式还是共享模式 // 但在条件队列中，nextWaiter 就是表示下一个节点元素 Node nextWaiter; }
从 Node 的结构中，我们需要重点关注 waitStatus 字段，Node 的很多操作都是围绕着 waitStatus 字段进行的。
Node 的 pre、next 属性是同步队列中的链表前后指向字段，nextWaiter 是条件队列中下一个节点的指向字段，但在同步队列中，nextWaiter 只是一个标识符，表示当前节点是共享还是排它模式。
排它锁的意思是同一时刻，只能有一个线程可以获得锁，也只能有一个线程可以释放锁。
共享锁可以允许多个线程获得同一个锁，并且可以设置获取锁的线程数量。
刚才我们看条件队列 ConditionObject 时，发现其是实现 Condition 接口的，现在我们一起来看下 Condition 接口，其类注释上是这么写的：
当 lock 代替 synchronized 来加锁时，Condition 就可以用来代替 Object 中相应的监控方法了，比如 Object#wait ()、Object#notify、Object#notifyAll 这些方法；
提供了一种线程协作方式：一个线程被暂停执行，直到被其它线程唤醒；
Condition 实例是绑定在锁上的，通过 Lock#newCondition 方法可以产生该实例；
除了特殊说明外，任意空值作为方法的入参，都会抛出空指针；
Condition 提供了明确的语义和行为，这点和 Object 监控方法不同。
类注释上甚至还给我们举了一个例子：
假设我们有一个有界边界的队列，支持 put 和 take 方法，需要满足：
1：如果试图往空队列上执行 take，线程将会阻塞，直到队列中有可用的元素为止；
2：如果试图往满的队列上执行 put，线程将会阻塞，直到队列中有空闲的位置为止。
1、2 中线程阻塞都会到条件队列中去阻塞。
take 和 put 两种操作如果依靠一个条件队列，那么每次只能执行一种操作，所以我们可以新建两个条件队列，这样就可以分别执行操作了，看了这个需求，是不是觉得很像我们第三章学习的队列？实际上注释上给的 demo 就是我们学习过的队列，篇幅有限，感兴趣的可以看看 ConditionDemo 这个测试类。
除了类注释，Condition 还定义出一些方法，这些方法奠定了条件队列的基础，方法主要有：
void await() throws InterruptedException;
这个方法的主要作用是：使当前线程一直等待，直到被 signalled 或被打断。
当以下四种情况发生时，条件队列中的线程将被唤醒
有线程使用了 signal 方法，正好唤醒了条件队列中的当前线程；
有线程使用了 signalAll 方法；
其它线程打断了当前线程，并且当前线程支持被打断；
被虚假唤醒 (即使没有满足以上 3 个条件，wait 也是可能被偶尔唤醒，虚假唤醒定义可以参考： https://en.wikipedia.org/wiki/Spurious_wakeup)。
被唤醒时，有一点需要注意的是：线程从条件队列中苏醒时，必须重新获得锁，才能真正被唤醒，这个我们在说源码的时候，也会强调这个。
await 方法还有带等待超时时间的，如下：
// 返回的 long 值表示剩余的给定等待时间，如果返回的时间小于等于 0 ，说明等待时间过了 // 选择纳秒是为了避免计算剩余等待时间时的截断误差 long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; // 虽然入参可以是任意单位的时间，但底层仍然转化成纳秒 boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
除了等待方法，还是唤醒线程的两个方法，如下：
// 唤醒条件队列中的一个线程，在被唤醒前必须先获得锁 void signal(); // 唤醒条件队列中的所有线程 void signalAll();
至此，AQS 基本的属性就已经介绍完了，接着让我们来看一看 AQS 的重要方法。
在同步器中，我们有两个状态，一个叫做 state，一个叫做 waitStatus，两者是完全不同的概念：
state是锁的状态，是 int 类型，子类继承 AQS 时，都是要根据 state 字段来判断有无得到锁，比如当前同步器状态是 0，表示可以获得锁，当前同步器状态是 1，表示锁已经被其他线程持有，当前线程无法获得锁；
waitStatus是节点（Node）的状态，种类很多，一共有初始化 (0)、CANCELLED (1)、SIGNAL (-1)、CONDITION (-2)、PROPAGATE (-3)，各个状态的含义可以见上文。
这两个状态我们需要牢记，不要混淆了。
获取锁最直观的感受就是使用 Lock.lock () 方法来获得锁，最终目的是想让线程获得对资源的访问权。
Lock 一般是 AQS 的子类，lock 方法根据情况一般会选择调用 AQS 的 acquire 或 tryAcquire 方法。
acquire 方法 AQS 已经实现了，tryAcquire 方法是等待子类去实现，acquire 方法制定了获取锁的框架，先尝试使用 tryAcquire 方法获取锁，获取不到时，再入同步队列中等待锁。tryAcquire 方法 AQS 中直接抛出一个异常，表明需要子类去实现，子类可以根据同步器的 state 状态来决定是否能够获得锁，接下来我们详细看下 acquire 的源码解析。
acquire 也分两种，一种是排它锁，一种是共享锁，我们一一来看下：
// 排它模式下，尝试获得锁 public final void acquire(int arg) { // tryAcquire 方法是需要实现类去实现的，实现思路一般都是 cas 给 state 赋值来决定是否能获得锁 if (!tryAcquire(arg) && // addWaiter 入参代表是排他模式 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
以上代码的主要步骤是（流程见整体架构图中红色场景）：
尝试执行一次 tryAcquire，如果成功直接返回，失败走 2；线程尝试进入同步队列，首先调用 addWaiter 方法，把当前线程放到同步队列的队尾；接着调用 acquireQueued 方法，两个作用，1：阻塞当前节点，2：节点被唤醒时，使其能够获得锁；如果 2、3 失败了，打断线程。
代码很少，每个方法都是关键，接下来我们先来看下 addWaiter 的源码实现：
// 方法主要目的：node 追加到同步队列的队尾 // 入参 mode 表示 Node 的模式（排它模式还是共享模式） // 出参是新增的 node // 主要思路： // 新 node.pre = 队尾 // 队尾.next = 新 node private Node addWaiter(Node mode) { // 初始化 Node Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 这里的逻辑和 enq 一致，enq 的逻辑仅仅多了队尾是空，初始化的逻辑 // 这个思路在 java 源码中很常见，先简单的尝试放一下，成功立马返回，如果不行，再 while 循环 // 很多时候，这种算法可以帮忙解决大部分的问题，大部分的入队可能一次都能成功，无需自旋 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //自旋保证node加入到队尾 enq(node); return node; } // 线程加入同步队列中方法，追加到队尾 // 这里需要重点注意的是，返回值是添加 node 的前一个节点 private Node enq(final Node node) { for (;;) { // 得到队尾节点 Node t = tail; // 如果队尾为空，说明当前同步队列都没有初始化，进行初始化 // tail = head = new Node(); if (t == null) { if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; // 队尾不为空，将当前节点追加到队尾 } else { node.prev = t; // node 追加到队尾 if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
如果之前学习过队列的同学，对这个方法应该感觉毫不吃力，就是把新的节点追加到同步队列的队尾。
其中有一点值得我们学习的地方，是在 addWaiter 方法中，并没有进入方法后立马就自旋，而是先尝试一次追加到队尾，如果失败才自旋，因为大部分操作可能一次就会成功，这种思路在我们写自旋的时候可以借鉴。
下一步就是要阻塞当前线程了，是 acquireQueued 方法来实现的，我们来看下源码实现：
// 主要做两件事情： // 1：通过不断的自旋尝试使自己前一个节点的状态变成 signal，然后阻塞自己。 // 2：获得锁的线程执行完成之后，释放锁时，会把阻塞的 node 唤醒,node 唤醒之后再次自旋，尝试获得锁 // 返回 false 表示获得锁成功，返回 true 表示失败 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; // 自旋 for (;;) { // 选上一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 有两种情况会走到 p == head： // 1:node 之前没有获得锁，进入 acquireQueued 方法时，才发现他的前置节点就是头节点，于是尝试获得一次锁； // 2:node 之前一直在阻塞沉睡，然后被唤醒，此时唤醒 node 的节点正是其前一个节点，也能走到 if // 如果自己 tryAcquire 成功，就立马把自己设置成 head，把上一个节点移除 // 如果 tryAcquire 失败，尝试进入同步队列 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 获得锁，设置成 head 节点 setHead(node); //p被回收 p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // shouldParkAfterFailedAcquire 把 node 的前一个节点状态置为 SIGNAL // 只要前一个节点状态是 SIGNAL了，那么自己就可以阻塞(park)了 // parkAndCheckInterrupt 阻塞当前线程 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 线程是在这个方法里面阻塞的，醒来的时候仍然在无限 for 循环里面，就能再次自旋尝试获得锁 parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { // 如果获得node的锁失败，将 node 从队列中移除 if (failed) cancelAcquire(node); } }
此方法的注释还是很清楚的，我们接着看下此方法的核心：shouldParkAfterFailedAcquire，这个方法的主要目的就是把前一个节点的状态置为 SIGNAL，只要前一个节点的状态是 SIGNAL，当前节点就可以阻塞了（parkAndCheckInterrupt 就是使节点阻塞的方法），
源码如下：
// 当前线程可以安心阻塞的标准，就是前一个节点线程状态是 SIGNAL 了。 // 入参 pred 是前一个节点，node 是当前节点。 // 关键操作： // 1：确认前一个节点是否有效，无效的话，一直往前找到状态不是取消的节点。 // 2: 把前一个节点状态置为 SIGNAL。 // 1、2 两步操作，有可能一次就成功，有可能需要外部循环多次才能成功（外面是个无限的 for 循环），但最后一定是可以成功的 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; // 如果前一个节点 waitStatus 状态已经是 SIGNAL 了，直接返回，不需要在自旋了 if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; // 如果当前节点状态已经被取消了。 if (ws > 0) { /* * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ // 找到前一个状态不是取消的节点，因为把当前 node 挂在有效节点身上 // 因为节点状态是取消的话，是无效的，是不能作为 node 的前置节点的，所以必须找到 node 的有效节点才行 do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; // 否则直接把节点状态置 为SIGNAL } else { /* * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we * need a signal, but don't park yet. Caller will need to * retry to make sure it cannot acquire before parking. */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
acquire 整个过程非常长，代码也非常多，但注释很清楚，可以一行一行仔细看看代码。
总结一下，acquire 方法大致分为三步：
使用 tryAcquire 方法尝试获得锁，获得锁直接返回，获取不到锁的走 2；
把当前线程组装成节点（Node），追加到同步队列的尾部（addWaiter）；
自旋，使同步队列中当前节点的前置节点状态为 signal 后，然后阻塞自己。
整体的代码结构比较清晰，一些需要注意的点，都用注释表明了，强烈建议阅读下源码。
acquireShared 整体流程和 acquire 相同，代码也很相似，重复的源码就不贴了，我们就贴出来不一样的代码来，也方便大家进行比较：
第一步尝试获得锁的地方，有所不同，排它锁使用的是 tryAcquire 方法，共享锁使用的是 tryAcquireShared 方法，如下图：
第二步不同，在于节点获得排它锁时，仅仅把自己设置为同步队列的头节点即可（setHead 方法），但如果是共享锁的话，还会去唤醒自己的后续节点，一起来获得该锁（setHeadAndPropagate 方法），不同之处如下（左边排它锁，右边共享锁）：
接下来我们一起来看下 setHeadAndPropagate 方法的源码：
// 主要做两件事情 // 1:把当前节点设置成头节点 // 2:看看后续节点有无正在等待，并且也是共享模式的，有的话唤醒这些节点 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { Node h = head; // Record old head for check below // 当前节点设置成头节点 setHead(node); /* * Try to signal next queued node if: * Propagation was indicated(表示指示) by caller, * or was recorded (as h.waitStatus either before * or after setHead) by a previous operation * (note: this uses sign-check of waitStatus because * PROPAGATE status may transition to SIGNAL.) * and * The next node is waiting in shared mode, * or we don't know, because it appears null * * The conservatism(保守) in both of these checks may cause * unnecessary wake-ups, but only when there are multiple * racing acquires/releases, so most need signals now or soon * anyway. */ // propagate > 0 表示已经有节点获得共享锁了 if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 || (h = head) == null || h.waitStatus < 0) { Node s = node.next; //共享模式，还唤醒头节点的后置节点 if (s == null || s.isShared()) doReleaseShared(); } } // 释放后置共享节点 private void doReleaseShared() { /* * Ensure that a release propagates, even if there are other * in-progress acquires/releases. This proceeds in the usual * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to * ensure that upon release, propagation continues. * Additionally, we must loop in case a new node is added * while we are doing this. Also, unlike other uses of * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status * fails, if so rechecking. */ for (;;) { Node h = head; // 还没有到队尾，此时队列中至少有两个节点 if (h != null && h != tail) { int ws = h.waitStatus; // 如果队列状态是 SIGNAL ，说明后续节点都需要唤醒 if (ws == Node.SIGNAL) { // CAS 保证只有一个节点可以运行唤醒的操作 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; // loop to recheck cases // 进行唤醒操作 unparkSuccessor(h); } else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; // loop on failed CAS } // 第一种情况，头节点没有发生移动，结束。 // 第二种情况，因为此方法可以被两处调用，一次是获得锁的地方，一处是释放锁的地方， // 加上共享锁的特性就是可以多个线程获得锁，也可以释放锁，这就导致头节点可能会发生变化， // 如果头节点发生了变化，就继续循环，一直循环到头节点不变化时，结束循环。 if (h == head) // loop if head changed break; } }
这个就是共享锁独特的地方，当一个线程获得锁后，它就会去唤醒排在它后面的其它节点，让其它节点也能够获得锁。
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