• AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer，它的定位是为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架。
• AQS是基于FIFO的队列实现的，并且内部维护了一个状态变量state，通过原子更新这个状态变量state即可以实现加锁解锁操作。

AQS成员变量：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {

    protected AbstractQueuedSynchronizer() { }
    
    static final class Node {
        // 共享模式
        static final Node SHARED = new Node();
        // 独占模式
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        // 标识线程已经取消
        static final int CANCELLED =  1;
        // 标识线程需要去unparking它的后继节点
        static final int SIGNAL    = -1;
        // 标识线程等待在一个条件上
        static final int CONDITION = -2;
        // 标识后面的共享锁需要无条件的传播（共享锁需要连续唤醒读的线程）
        static final int PROPAGATE = -3;

        // 当前节点保存的线程对应的等待状态（node状态可选值：0，SIGNAL，CANCELLED，CONDITION，PROPAGATE）
        // waitStatus == 0 默认状态
        // waitStatus > 0 取消状态
        // waitStatus == -1 表示当前node如果是head节点时，释放锁之后需要唤醒它的后继节点
        volatile int waitStatus;

        // 指向前驱节点
        volatile Node prev;
        // 指向后继节点
        volatile Node next;

        // 封装当前Node的线程，排队的线程
        volatile Thread thread;

        // 下一个等待在条件上的节点（Condition锁时使用）
        Node nextWaiter;

        // 当前节点是否是共享模式
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }

        // 返回前驱节点
        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }

        Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
        }

        Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }

        Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        }
    }

    // 队列的头节点: 任何时刻，头结点对应的线程就是当前持锁线程~
    private transient volatile Node head;

    // 队列的尾节点：(阻塞队列不包含头结点head，是从head.next 开始，到 tail 结束，这个区间是阻塞队列)~
    private transient volatile Node tail;

    // 控制加锁解锁的状态变量
    // 独占模式下：0 表示未加锁状态， >0 表示已加锁状态
    private volatile int state;
    
    // 独占模式下：表示当前持有锁的线程~
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;
}

一、公平锁实现FairSync：

加锁：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();

final void lock() {
    acquire(1);
}

public final void acquire(int arg) {
    //条件1：线程去尝试获取锁，获取成功则返回true，获取失败则返回false
    //条件2：
    // 	条件2.1：addWaiter方法，将当前线程封装成node入队,并且返回当前入队的节点
    // 	条件2.2：入队后调用 acquireQueued方法 (该方法包含挂起当前线程、以及线程唤醒后相关的逻辑)
    // 		   (令当前线程不断去竞争资源，直到成功获取锁才停止自旋)
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)){
        // 中断当前线程
        selfInterrupt();
    }
}

// 尝试获取锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取竞态变量的值
    int c = getState();
    // c==0，表示AQS处于无锁状态
    if (c == 0) {
        // 条件1：hasQueuedPredecessors(),判断队列中是否有等待的线程，这里是公平锁才要判断，如果是非公平锁没有这段逻辑
        // true：有等待的线程
        // false：没有等待的线程
        
        // 条件2：表示当前队列没有等待的线程，当前线程进行cas尝试获取锁，如果case设置state=1成功，说明获取到锁
        
        // 公平锁这里尝试获取锁，仅有队列为空或者队列中第一个节点是自己才进行锁的争抢，否则就要排队了
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 条件1和条件2成立，说明当前线程获取到了锁，设置当前线程为锁的持有者
            setExclusiveOwnerThread(current);
            // 返回true，说明获取到了锁
            return true;
        }
    }
    // getExclusiveOwnerThread:返回当前持有锁的线程
    // 当前线程是持有锁的线程，说明可重入了
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // c + acquires：重入次数+1
        int nextc = c + acquires;
        // 防止无限可重入导致nextc超过int的最大值，所以抛出异常
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 设置state值
        setState(nextc);
        // 返回true：表示当前线程获取到了锁
        return true;
    }
    // 返回false，说明当前线程没有获取到锁
    return false;
}

// 判断队列中是否有等待的线程
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail; 
    Node h = head;
    Node s;
    // 条件1：如果h==t：表示队列为空，返回false，没有线程等待
    // 条件2：如果h.next != null && s.thead == Thread.currentThread()：表示队列不为空，当前线程是队列中等待的第一个节点
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

// 将当前节点加入等待队列
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 创建一个Node节点，传入当前线程和模式，这里是独占模式
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 获取尾节点
    Node pred = tail;
    // 如果尾节点不为空，说明队列已经存在节点，则尝试将当前节点链接到队尾，链接成功则返回当前节点
    if (pred != null) {
        // 设置当前节点的前驱为尾节点
        node.prev = pred;
        // cas设置新的尾节点为node
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            // 如果设置新的尾节点成功，则将旧的尾节点的后继指向新的尾节点，形成双向链表，此时当前节点加入队列成功
            pred.next = node;
            // 返回当前节点
            return node;
        }
    }
    // 执行到这里有以下2种情况：
    // 1.tail == null 当前队列是空队列
    // 2.cas设置当前newNode 为 tail 时失败了，被其他线程抢先一步了
    // 自旋入队，只有入队成功才结束自旋：
    enq(node);
    return node;
}

// 自旋入等待队列
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) { //自旋
        // 获取尾节点
        Node t = tail;
        // 如果尾节点为空，说明当前队列是空的
        if (t == null) { // Must initialize
            // cas初始化head节点，为一个空节点
            if (compareAndSetHead(new Node())){
             	// 初始化成功，则头节点和尾节点相等
                tail = head;   
            }
        } else { // 尾节点不为空，说明队列中有线程在等待
            // 设置当前节点的前驱为尾节点
            node.prev = t;
            // cas设置新的尾节点为node
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                // 如果设置新的尾节点成功，则将旧的尾节点的后继指向新的尾节点，形成双向链表，此时当前节点加入队列成功
                t.next = node;
                // 返回当前节点
                return t;
            }
        }
    }
}

// 抢占锁+挂起线程+线程唤醒之后执行的地方
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // false：表示当前线程抢占锁没有发生异常
    // true：表示当前线程抢占锁发生异常，需要将当前节点出队
    boolean failed = true;
    try {
        // 当前线程是否被中断唤醒的，因为执行到parkAndCheckInterrupt时会挂起线程，之后会被别的线程唤醒，做一个标记
        boolean interrupted = false;
        // 自旋进行锁抢占
        for (;;) {
            // 获取当前节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 条件1：p == head，即当前节点的前驱节点是否是头节点
            // true: 说明当前节点是头节点的第一个后继节点，有资格去争抢锁
            // false: 说明当前节点不是头节点的第一个后继节点，还是老老实实排队吧，等有资格再说
         	
            // 条件2：tryAcquire(arg),尝试去获取锁
         
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 抢到锁了，则将head指向下一个节点，并把oldHead置空
                // node为头节点，清空节点的内容为一个空节点
                setHead(node);
                // 将旧的头节点的后继设置为null
                p.next = null; // help GC
                // 当前线程抢占锁成功，没有发生异常
                failed = false;
                // 当前线程没有被中断 false
                return interrupted;
            }
            // shouldParkAfterFailedAcquire：获取锁失败，需要被挂起  
            // 第一次进入方法，一般不会挂起，会设置pred.waitStatus=-1，自旋第二次进入就会被挂起
            // true：需要被挂起
            // false: 不需要挂起
            
            // parkAndCheckInterrupt:挂起当前线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt()){
                // 设置中断状态 true，表示当前线程是被中断信号唤醒的
                interrupted = true;
            }
        }
    } finally {
        // 抢占锁出现异常，需要将当前节点从队列中移除
        if (failed){
         	cancelAcquire(node);   
        }
    }
}

// 设置头节点，并且置空头节点的线程和前置指针
private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

// 判断当前线程是否需要被挂起 true:需要挂起  false：不需要挂起
// pred:前驱节点
// node:当前线程节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    // ws==-1:前驱节点释放锁之后回去唤醒下一个节点
    if (ws == Node.SIGNAL)
        // 挂起当前线程
        return true;
    // ws>0:表示前驱节点处于取消状态
    if (ws > 0) {
        // 链表从后往前走，跳过已经取消的节点
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        // 直到遇到ws==0：表示默认状态，然后把pred的后驱指向当前node
        // 本次调用，node不需要被挂起，下次重试进来就会被挂起
        pred.next = node;
    } else {
        // 此时ws一定是0，但是不立即挂起它
        // cas将pred.waitStatus设置为-1
        // 下次重试进来时当前线程会被挂起
        
        // 将当前node节点的前一个节点的waitStatus设置为-1，表示前一个节点释放锁的时候会唤醒当前节点
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    // 不需要被挂起
    return false;
}

// 挂起当前线程，并返回当前线程的中断状态
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

// 将node从队列中取消掉
private void cancelAcquire(Node node) {
    // 当前node为空，则忽略
    if (node == null) return;
	
    // 当前node线程置空
    node.thread = null;

    // 从后往前找，跳过已经取消的Node节点
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // predNext:表示不是取消节点的下一个节点，即指向第一个取消的节点
    Node predNext = pred.next;

    // 设置当前节点为已取消状态
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // 如果取消的是最后一个节点，则将尾节点cas设置为最后一个未取消的节点，跳过已取消的节点
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        // cas把pred的next节点设置为null
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // 走到else代表当前节点不是tail节点，或者是cas操作的时候tail发生了变化
        // 如果不是tail节点，不能直接把tail节点指向到上面while循环得出的prev节点
        int ws;
        // 这里是的if代码块，是为了尝试一次，如果不成功再去复杂的处理。
        // 这里的if判断条件如下：
            // 1.如果上面while循环得到的pred节点不是head节点
            // 2.如果上面while循环得到的pred节点为-1，如果不为-1，cas改变成-1也。
            // 3.如果上面while循环得到的pred节点的线程指向不为null(如果为null代表在取消的过程中)
        // 因为&&是拼接，所以上面任意一个条件为false就会进入到else条件中。
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            
            Node next = node.next;
            // 当前节点的下一个节点如果不为空，且下一个节点的状态为-1，说明node是一个中间节点，需要将node后面的节点链接起来
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                // cas将pred.next与next连接起来
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            // 直接唤醒当前节点的下一个节点。
            // 唤醒的目的是为了去执行shouldParkAfterFailedAcquire方法去处理取消节点。
            unparkSuccessor(node);
        }
		// 把当前节点的下一个节点指向自己
        node.next = node; // help GC
    }
}

// 唤醒当前节点的下一个节点，node为pred前驱节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 将node.waitStatus设置为0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    //s为node节点的下一个节点
    Node s = node.next;
    // 下一个节点为空或者下一个节点已经取消
    // 条件1：s == null
    // s 什么时候为null？
    // 1.当前节点就是tail节点时，s==null
    // 2.当前节点入队未完成时（1.设置新节点的prev指向pred  2.CAS设置新节点为tail  3.(未完成)pred.next -> 新节点）
    // 需要找到可以被唤醒的节点...
    
    // 条件2：s.waitStatus > 0 前提是 s == null
    // 如果条件2成立，则说明当前node节点的后继节点是取消状态，需要找一个合适的可以被唤醒的节点...
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 从队尾往前找，找到离队头最近的第一个正常节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果s不为空，说明找到了一个可以唤醒的节点，则进行唤醒
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

释放锁：

lock.unlock();

public void unlock() {
     sync.release(1);
}

public final boolean release(int arg) {
    // 尝试释放锁，true：释放锁成功  false：释放锁失败
    if (tryRelease(arg)) {
        // 判断头节点是否是正常节点，如果head是正常节点则唤醒头节点的下一个节点
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 唤醒操作
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

// 尝试释放锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 获取state-1
    int c = getState() - releases;
    // 不是当前线程释放锁，则报错
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 如果c==0,说明是可重入最后一次释放锁，可以释放锁
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 设置state=0，说明AQS属于无锁状态
    setState(c);
    return free;
}

至此，ReentrantLock的公平锁实现方式源码已经注释完毕！

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二、非公平锁实现NonfairSync：

公平锁的实现，在加锁时，只要队列中有等待的线程，就需要排队进行等待，很公平。

对于非公平锁，在加锁的时候会先执行cas抢占锁的逻辑，此时线程会跟头节点的下一个节点进行抢占锁，体现非公平的表现。

final void lock() {
    // 非公平锁加锁直接先cas抢一波，抢不到再进行入队操作
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

public final void acquire(int arg) {
    // tryAcquire尝试获取锁，非公平锁和公平锁的实现不一样
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

// 非公平锁
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

// 公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

// 差别在于有无hasQueuedPredecessors方法，这是判断队列中是否有等待的线程
// 公平锁需要判断，进行有序排队，而非公平锁不需要排队，直接先抢占一波，抢占不到再入队

三、图解案例：

下面用一幅图来描述三个线程加锁的流程,线程一加锁成功，线程二，三加锁失败挂起入队，然后线程一释放锁，唤醒线程二，然后线程二释放锁，唤醒线程三：

1.线程一抢到锁成功，设置Sate=1，并且设置持有锁线程为线程一

2.线程二加锁失败，由于头节点不存在，所以线程二在入队时会顺便创建头节点，然后再链接到头节点后边，并且设置前一个节点的waitStatus=-1，表示前一个节点释放锁后会唤醒后一个节点，然后挂起线程二：

3.线程三加锁失败，则入队挂起：

4.线程一释放锁，设置头节点的waitStatus=0，然后唤醒下一个节点进行抢占锁，如果线程二抢到了锁：

接着将线程二的节点作为头节点，head指针指向这个节点，并且断开原来的头节点：

5.线程二释放锁，唤醒下一个节点进行抢占锁，线程三抢占到了锁，断开原来头节点，重新设置新的头节点：
6.线程三释放锁，把AQS中的state设置为0，清空持有锁线程，队列中的节点还是存在一个头节点，这个节点的内容都是空的，只要头节点创建出来了就一直存在，持有锁的线程会关联头节点。

7.上述流程可以说是公平锁的抢占方式，每次都是队列头节点的下一个节点抢到锁，严格排队抢锁，如果是非公平锁，则在唤醒head的下一个节点进行抢锁时，其他线程也可以在此期间抢锁，如果被其他线程抢到锁，则head的下一个节点还是会重新挂起，然后新的抢占锁的线程会重新关联head节点。

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参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/463668014

https://csp1999.blog.csdn.net/article/details/116604866

https://xiaohuang.blog.csdn.net/article/details/130046506