本篇为 [并发与多线程系列] 的第四篇，对应Java知识体系脑图中的 并发与多线程 模块。

这一系列将对Java中并发与多线程的内容来展开。

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AQS原理（AbstractQueuedSynchronizer）

在Java多线程中，AQS（抽象队列同步器）是一个用来实现同步锁以及其他涉及到同步功能的核心组件，Java中的锁Lock就是基于AbstractQueuedSynchronizer来实现的。AQS的出现是用于优化锁的效率，替代synchronize关键字的解决方案。不过，Java1.6版本起synchronize经过锁优化之后，效率差距已经不大。

但是，AQS里很多的设计思路，都值得学习和借鉴，理解AQS原理才能更好的理解JUC（Java.util.concurrent）包内关于多线程的实现。它也是面试中高频关键知识点之一。

注：本文以下源码基于JDK1.8。

AQS中的重点

• AQS整体结构、状态值、Node对象
• 数据结构：CLH队列
• 锁的模式：独占模式与共享模式（含源码篇幅较长）
• 锁的属性：公平性，响应中断，超时
• 扩展设计：ConditionObject与等待队列（含源码篇幅较长）
• 设计模式巧思：模板方法
• AQS的应用：ReentrantLock等

AQS整体结构

首先，我们先从AQS的类图看一下整体结构和设计。

由类图可以看出，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）继承了AbstractOwnableSynchronizer，包含了Node、ConditionObject对象。

• AbstractOwnableSynchronizer提供了实现独占模式的线程的方法，由AQS继承。

• AQS有一些内置变量，status、head、tail等，这些都是AQS重要的结构设计，status是锁资源的标识；head、tail是CLH结构的设计。

• 从AQS的方法内看出，提供了独占模式的方法，也提供了共享模式（shared）的方法，还包含有响应中断（interruptibly）的方法；

• Node对象，是AQS基础对象，是一个最小资源单元对象，一个Node持有一个线程引用（thread），用Node来表示线程的状态；

• ConditionObject对象，是AQS里的扩展设计，同样用了变体CLH的数据结构，实现了等待队列。

state状态值

在AQS中，同步状态标识status设置为全局变量，并用volatile关键字修饰，可以由多个线程及时获取到此时的锁的状态。

我们看一下state的源码：

     /**	
     * The synchronization state.	
     * 同步器的状态
     */	
    private volatile int state;	
    /**	
     * getter方法，获取state	
     */	
    protected final int getState() {	
        return state;	
    }	
    /**	
     * Setter方法，设置state	
     */	
    protected final void setState(int newState) {	
        state = newState;	
    }	
    /**	
     * 原子修改当前值，且expect的值等于旧值时修改成功。即CAS设置	
     */	
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {	
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);	
    }

state有几个特点：

• state用volatile修饰，保证多线程中的可见性。
• getState() 和 setState() 方法采用final修饰，限制AQS的子类重写它们两。
• compareAndSetState（）方法采用乐观锁思想的CAS算法，也是采用final修饰的，不允许子类重写。

例如在独占模式中，每次增加节点即调用获取方法acquire(1)，其中头结点会CAS将state从0设为1，用state来表示锁的持有状态。因此state是用来标记锁资源的重要标识。

Node对象

在AQS中，Node对象是最小资源单元对象，是构成变体CLH的重要结构，一个Node持有一个线程引用（thread），用Node来表示线程的状态。Node的源码结构如下：

static final class Node {
				// 共享模式下等待的标识
        static final Node SHARED = new Node();
				// 独占模式下等待的标识
        static final Node EXCLUSIVE = null;

  			// 节点的几种状态
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;

  			// 此时节点处于 上面状态中的某个值 （-3 -- 1）
        volatile int waitStatus;
				// 指向前驱节点
        volatile Node prev;
				// 指向后继节点
        volatile Node next;
				// 线程引用
        volatile Thread thread;
				// 指向等待获取condition 唤醒条件的队列节点
        Node nextWaiter;
    }

在Node节点的定义中，存在五种等待状态：

				// 节点的等待状态
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;

        /**
         *   CANCELLED: 因为超时、中断 被取消；节点进入取消状态永远不能再变化（即不能重新唤醒）。而且，取消状态的节点永远不会再被阻塞。
         *   SIGNAL: 此节点的后续节点已经被park方法阻塞，当此节点释放/取消时需要通过unpark方法唤醒后续节点。
         * 为了避免竞争，acquire方法会先提供一个信号，然后后续节点尝试原子获取（cas），如果失败就阻塞。
         *   CONDITION:  此节点正处于条件队列中（condition queue）等待获取条件，除非节点被移出，移出的同时会设置节点状态为0。
         *   PROPAGATE:  共享模式头结点的无条件传播。引入这个状态是为了优化锁竞争，让队列中的节点能有序的一个个唤醒。
         *   0: 以上四个之外的状态，一般是节点的初始态。
         */
        volatile int waitStatus;

CLH队列锁

在AbstractQueuedSynchronizer源码的注释中写道：AQS是CLH队列锁的变体，CLH队列锁通常使用的是自旋锁。

CLH锁是一种基于链表的可扩展、高性能的自旋锁，申请线程仅仅在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，假设发现前驱释放了锁就结束自旋。

在传统的CLH队列中，头结点拥有锁，后续节点会一直自旋等待状态改变，发现前驱节点释放锁并修改状态值后，结束自旋并尝试去争取锁，头结点出队。

CLH新增的节点Node会将自己的prev指向之前的 尾节点tail，并修改tail指向新节点，加入队尾。

因此CLH是一种头结点出列，新增插入尾节点的一种FIFO（先进先出）单链表队列，等待节点会自旋获取状态值。

AQS 中的变体CLH

在AQS中，数据结构使用的是变体的CLH，每个Node节点结构变得更为复杂一些。

在AQS中，Node是构成变体CLH的重要结构，一个Node持有一个线程引用（thread），在CLH基础上，多出了双向指针用于形成双向连边，每个Node对象都存在prev、next两个指针，形成了双向链表。因此AQS中的CLH结构入下：

我们可以看出，AQS中的变体仍然保持CLH的一些特性，FIFO，头结点持有锁，运行结束后出列；新增节点插入队尾。

与传统CLH不同的是，在Node结构中增加next指针，形成双向队列，可以循环遍历。而AQS的成员变量中存在head、tail，分别代表了队列的头节点、尾节点，加上双向队列的设计，持有他们AQS即持有了整个队列。

AQS中的两种模式

在AQS的类图中，AQS继承了AbstractOwnableSynchronizer，AbstractOwnableSynchronizer提供了实现独占模式的线程的方法。

/**
 * A synchronizer that may be exclusively owned by a thread.  This
 * class provides a basis for creating locks and related synchronizers
 * that may entail a notion of ownership.  The
 * {@code AbstractOwnableSynchronizer} class itself does not manage or
 * use this information. However, subclasses and tools may use
 * appropriately maintained values to help control and monitor access
 * and provide diagnostics.
 * 
 * 一种可能被线程独占的同步器。这个类提供了创建锁和关联同步器的基础，
 * 意味着同步器可能存在所有权的概念。 这个类{@code AbstractOwnableSynchronizer}
 * 本身不管理 或者拥有这些信息，然而，子类和工具可能使用适当的状态值（state）去帮助控制和
 * 监视所有权，并提供诊断（conditionObject）。
 *
 * @since 1.6
 * @author Doug Lea
 */
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
  
    /**
     * Empty constructor for use by subclasses.
     * 供子类使用的空构造函数
     */
    protected AbstractOwnableSynchronizer() { }

    /**
     * The current owner of exclusive mode synchronization.
     * 当前持有独占模式同步器的线程
     */
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;

    /**
     * set方法，设置独占线程
     */
    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

    /**
     * get方法，获取独占线程
     */
    protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
        return exclusiveOwnerThread;
    }
}

实际上，AQS提供了独占模式和共享模式两种方式。我们可以从方法名称看到AQS内部提供的两套实现，其中包含了可中断的阻塞方法：

// 独占模式方法
# acquire(int arg) : void -- 不可中断的加锁
# acquireInterruptibly(int arg) : void --可中断的加锁
# tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout): boolean --带超时时长的可中断加锁
  
# release(int arg) : boolean --解锁

  
// 共享模式方法
# acquireShared(int arg) : void
# acquireSharedInterruptibly(int arg) : void
# tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) : boolean
  
# releaseShared(int arg) : boolean

AQS 两种模式对比

AQS中的主流程：加锁、解锁，分别存在两种模式：共享模式、独占模式；这两种的主操作流程其实没有区别，主要区别在于，独占模式只允许一个线程获得资源，而共享模式允许多个线程获得资源，但是获得资源是原子性的，即全都成功才成功。

AQS 的独占模式

AQS使用变体的CLH — 双向链表来管理请求同步的Node，新的Node将会被插到链表的尾端，而链表的head总是代表着获得锁的线程，链表头的线程释放了锁之后，后面的节点会监视到状态，去竞争共享变量state。下面看一下AQS是如何实现独占模式下的acquire和release的。

获取acquire

首先看一下获取acquire方法的整体流程。

获取方法即将节点插入同步队尾，自旋等待，直到获取到锁的操作。以下贴出整个调用链路的源码：

    // 获取acquire方法完整调用链路
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            // 用中断的方法，让线程可以退出等待状态，变为就绪
            selfInterrupt();
    }

    // tryAcquire提供了一个模板方法，AQS中没有具体实现，交由子类实现
    // CAS尝试竞争state状态值，state特点中说过：AQS中用final修饰state的get/set，因此子类需自行实现，这种交由子类实现的特性，让实现同步器的方法可以自行定制独占/共享模式
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    // CAS将节点加入队尾
    private Node addWaiter(Node mode) {
        // Node EXCLUSIVE = null -> mode（nextWaiter）
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

    // 循环重试一直到成功加入队尾，返回前置节点，即旧的尾节点
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // 队尾为空即队列没有元素，必须初始化
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }
   
    // 自旋竞争state，竞争state失败，证明其他线程持有锁；竞争成功，让前驱节点出队
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                // 前驱节点为头结点 且此节点CAS竞争state成功
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 将当前节点设为头结点，并切断前驱结点，让其出队
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                // 设置前驱节点的状态为-1，并unpark此节点
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                // 最终失败，取消竞争操作
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    private void setHead(Node node) {
        head = node;
        node.thread = null;
        node.prev = null;
    }

    // 检测并设置前驱节点的状态，设置前驱成功，则park阻塞当前线程
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus; 
        if (ws == Node.SIGNAL)
            // SIGNAL=-1,前驱节点 成为了 头结点/获取到锁的节点
            return true;
        if (ws > 0) {
            // CANCELLED=1,前驱节点已被取消，跳过前驱节点并重试
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            // 基本上是从初始态0，CAS尝试设置前驱节点状态为-1 SIGNAL，标识当前节点正在等待被唤醒
            // waitStatus必须是0或者-3，保证不会在park之前被唤醒
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

    // 阻塞当前线程，并检查中断状态
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        // 阻塞当前线程
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

在以上源码中我们需要注意的是，在 acquireQueued方法中节点会自旋等待获取锁，而结束自旋的条件如下：

• 自旋到前驱节点获得锁的时候，当前节点可以安心被park阻塞，interrupted=true；则当前驱节点释放锁，可以unpark当前节点，返回interrupted的值 (true)。
• 前驱节点成为了头节点，头结点即拥有锁的节点；且tryAcquire 返回true，意味着当前CAS竞争state成功，前驱节点释放锁。
• 当前节点竞争到锁，设置为头结点，将运行完毕的旧头结点指针设为空，成功出队。即节点的 出/入 同步队列都是在acquire方法中操作。

释放release

接下来我们看看release释放方法。

释放方法即将拥有资源的头结点设为初始态0，并唤醒条件适合的第一个后继节点，等待将头节点出队释放。以下贴出整个调用链路的源码：

    // 释放release方法完整调用链路
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            // 头结点 不为空 且 为-1 表明后继节点等待被唤醒
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 将节点CAS设置为0，并唤醒后继条件合适的一个节点
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // tryRelease 同样也是提供了一个模板方法，AQS中没有具体实现，交由子类实现
    // ReentrantLock中的实现，释放state，CAS设置为0，保证资源的安全性
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    // 将节点CAS设置为0，并唤醒后继条件合适的一个节点
    private void unparkSuccessor(Node node) {
       
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0) //CAS 设置为0，验证后继节点是否在等待被唤醒
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
 
        Node s = node.next;
        // 如果头结点的 下一个节点为空 或者已取消（只有取消状态=1 >0）
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
          
            // 双向链表的用处：
            // 自尾节点往前遍历，遍历到头结点后面第一个符合唤醒条件的节点，unpark唤醒它
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        // 唤醒指定的线程
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

释放的方法比入队简单的多，理解起来也不复杂。

以上就是独占模式下的出入队，若是希望线程可以在竞争的时候被中断，可以使用acquireInterruptibly。如果希望加上获取锁的时间限制，也可以使用tryAcquireNanos(int, long)方法来获取。他们两个方法不再赘述，可参考独占模式下的出入队原理对照理解即可。

AQS 的共享模式

需要注意的是，共享模式和独占模式的区别在于，独占模式只允许一个线程获得资源，而共享模式允许多个线程获得资源，但是获得资源是原子性的，即全都成功才成功。

获取acquireShared

我们看一下获取acquireShared方法，以下贴出整个调用链路的源码：

    // 获取acquireShared方法完整调用链路
    public final void acquireShared(int arg) {
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireShared(arg);
    }

    // 提供了一个模板方法，AQS中没有具体实现，交由子类实现
    // Semaphore中的实现，比较当前可运行的 线程资源 和 入队个数，返回 线程资源-入队个数
    protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // 自旋等待竞争state
    private void doAcquireShared(int arg) {
        // 将节点加入同步队尾 Node SHARED = new Node() -> mode（nextWaiter）
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    // 前驱节点是头结点，CAS发现仍有可竞争的资源
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        // 将当前节点放到队头 状态设置为0，且切断与头结点的连接
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        if (interrupted)
                            // 使用中断的方法，让线程退出等待状态，变为就绪
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                // 直到前驱节点获得锁，park当前节点
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    // CAS将节点加入队尾，如果失败，enq方法自旋直至成功加入队尾
    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 自旋加入队尾直至成功
        enq(node);
        return node;
    }

    // 当前节点设置为0，取消绑定的线程，取消前驱指针
    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // 记录头结点用于检查后继节点
        setHead(node);
        
        // 无条件传播 或旧头结点为空 或旧头结点为-1 SIGNAL 或新头结点为空 或新头结点为-1 SIGNAL 则取新头结点后继节点
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
          
            // 后继节点为空 或后继节点也是共享模式节点
            if (s == null || s.isShared())
                doReleaseShared();
        }
    }

    private void setHead(Node node) {
        head = node;
        node.thread = null;
        node.prev = null;
    }

    // 头结点设置为0并唤醒后继节点，若期间头结点被改变则设置其为无条件传播，下次可以跳过此节点
    private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    // CAS将运行的节点 -1设置为0，检测后继节点是否正等待唤醒
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue; 
                    // 再次检查头结点cas设置为0，并唤醒后继第一个条件合适的节点
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    // 设置头结点为无条件传播，下次可以跳过，保证传播性
                    continue;   //CAS失败继续循环，继续循环，直到节点 = -1运行   
            }
            // 如果头结点被改变了继续循环，设置为无条件传播，进入循环获取新的头结点继续判断
            if (h == head)  
                break;
        }
    }

    // 再次cas设置头结点为0，并唤醒后继第一个条件合适的节点
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        // 再次检查节点是否设置为0，未设置CAS设置为0
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        
        Node s = node.next;
        // 后继节点为空 或取消了 从同步队尾往前遍历取最靠近头结点的第一个条件合适的节点
        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;
        }
        // 唤醒指定的线程
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

    // 检测前驱节点的状态，返回当前节点是否竞争失败，失败后需park阻塞
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus; 
        if (ws == Node.SIGNAL)
            // 前驱节点 成为了 头结点/获取到锁的节点
            return true;
        if (ws > 0) {
            // 前驱节点已被取消，跳过前驱节点并重试
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            // CAS尝试设置前驱节点状态为-1 SIGNAL，标识当前节点正在等待被唤醒
            // waitStatus必须是0或者-3，保证不会在park之前被唤醒
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

    // park阻塞当前线程，并检查中断状态
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

可以看到，共享模式下的获取acquire方法整体流程与独占模式的大体一致，区别点仅有两个地方：

• tryAcquireShared的实现，在Semaphore中，此方法实现大概为获取当前可运行的线程个数，返回available - acquires，即可运行的线程数 - 入队阻塞个数。以此方法实现多线程共享模式。
• addWaiter(mode) 传入的mode不同，共享模式下 SHARED = new Node()。
• 共享模式可以获得多个资源，在自旋获取state时，若前驱节点已经获得资源，且资源数量>=0，则切断头结点，将当前节点设为新的头结点且状态设为0，用中断的方式由等待态变为就绪。

释放releaseShared

我们看一下releaseShared释放方法，以下贴出整个调用链路的源码：

    // 释放releaseShared方法完整调用链路
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

    // tryReleaseShared 同样也是提供了一个模板方法，AQS中没有具体实现，交由子类实现
    // Semaphore中的实现是，CAS设置 上一次剩余可运行线程数 为 当前可运行线程数 + 释放个数
    protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // 确保一个释放行为的传播性，即使有其他正在进行的获取/释放操作；这个方法通常会尝试唤醒头结点的后继节点，如果它处于等待唤醒的状态，如果不是，那么设置为 PROPAGATE -3 传播状态，保证在此释放结束之内，传播能继续下去。此外，我们必须循环，以防在执行此操作时添加新节点。另外，与其他的unparkSuccessor用法不同，我们需要知道CAS重置状态是否失败，如果是，则重新检查。
    private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    // 头结点cas设置为0，检验后继阶段是否正在等待唤醒 -1 -> 0
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;   // 循环检查
                    // unpark唤醒后继节点
                    unparkSuccessor(h);
                }
                // cas设置为-3 无条件传播
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;      // cas失败继续循环
            }
            if (h == head)         // 如果头结点变更，取当前新头结点状态继续循环
                break;
        }
    }

    private void unparkSuccessor(Node node) {
       
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0) //CAS 设置为0
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
 
        Node s = node.next;
        // 如果头结点的 下一个节点为空 或者已取消（只有取消状态=1 >0）
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
          
            // 双向链表的用处：
            // 自尾节点往前遍历，遍历到头结点后面第一个符合唤醒条件的节点，unpark唤醒它
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

锁的属性：公平性，响应中断，超时

接下来说一下锁的几个属性，公平性，响应中断，超时，这几个属性也都分别对应了一个方法。

公平性

为何会有公平性这一说呢，在AQS源码中并没有看到，但是到在应用工具类里，即继承了AQS的实现中，例如在ReentrantLock里，可以看到Sync和FairSync这一组继承AQS的实现类，里面存在nonfairTryAcquire和fairTryAcquire两个方法。

因此公平和非公平这是在应用层所衍生出来的锁属性。

那么它们有什么差异呢，总结来说，非公平性即立即尝试插一次队，我们从源码入手：

由源码可以看出，他俩只有一点差异，即非公平性的锁会立即尝试一次竞争锁，如果成功则插队；否则后续逻辑与公平性的锁一样，自旋等待前一节点成为头结点后才竞争锁。

响应中断

响应中断和超时，都是AQS里加锁操作时的异常处理场景，可以视为应用级别的锁属性，我们把AQS中存在的方法体列出来，可以看到存在可中断、带超时时长的加锁方法。

// 独占模式方法
# acquire(int arg) : void -- 不可中断的加锁
# acquireInterruptibly(int arg) : void --可中断的加锁
# tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout): boolean --带超时时长的可中断加锁
  
# release(int arg) : boolean --解锁

  
// 共享模式方法
# acquireShared(int arg) : void --不可中断的加锁
# acquireSharedInterruptibly(int arg) : void --可中断的加锁
# tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) : boolean --带超时时长的可中断加锁
  
# releaseShared(int arg) : boolean --解锁

简单来说，可中断即对线程的检查， 若线程已中断，抛出异常进行中断结束任务。以下是acquireInterruptibly的源码，我们来看看：

public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
  			// 检查线程的状态，若已中断抛出异常结束操作
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            // 和加锁acquire主流程一致，已经忘记了的话可以往前翻翻流程图
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

超时

和可中断相对应的另一种场景，就是超时，AQS允许设置超时时长的加锁，若超时同样抛出异常进行中断结束任务。我们看看tryAcquireNanos的源码：

public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        // 检查线程的状态，若已中断抛出异常结束操作
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        return tryAcquire(arg) ||
            doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
    }

private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        if (nanosTimeout <= 0L)
            return false;
  			// 计算超时截止时间
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return true;
                }
                nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
                // 若超时直接返回失败
                if (nanosTimeout <= 0L)
                    return false;
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                    LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
                // 检查线程的状态，若已中断抛出异常结束操作
                if (Thread.interrupted())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

扩展设计：ConditionObject与等待队列

在AQS中，存在ConditionObject对象，也是采用的CLH变体结构设计的队列，可以视为AQS队列（文中后续称为Sync Queue）的双生队列，我们暂且称其为Condition Queue。

Condition Queue在AQS里的角色类似于缓冲区，即从Sync Queue移到Condition Queue上，可以自主操控节点处于等待环节；后续节点需要加锁时，可以移回Sync Queue等待系统调度，能操作线程暂停和恢复，从而实现精准顺序唤醒。

Condition中的操作

JUC包中存在Condition接口，它提供了await()和signal()两个阻塞和唤醒线程的方法，而ConditionObject就是其实现类。

在AQS中，ConditionObject 提供的await()和signal()方法，能够为多线程之间交互提供帮助，能让线程暂停和恢复，可以实现精准顺序唤醒，是很重要的方法。

await 等待

在Node的节点状态中，有等待状态 CONDITION = -2，此状态代表阶段处于等待状态，插入入ConditionObject 等待队列中。

在AQS中，调用了await方法时，当前正持有锁的头节点会被放入等待队列中。接下来我们看一下完整调用链路：

		// await完整调用链路
		public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
      			// 将当前线程绑定到等待节点，插入等待队列尾部，返回当前插入的节点
            Node node = addConditionWaiter();
      			// 释放当前持有锁的节点，保存当前持有锁的状态state，唤醒后继节点
            int savedState = fullyRelease(node);
      
      			// 0 表示等待过程，即在等待队列中未被中断，保证线程的有效性
      			// REINTERRUPT = 1;表示在移出等待队列，恢复到同步队列中时被重新中断
      			// THROW_IE = -1;表示在signal前被cancel中断退出等待队列，并抛出InterruptedException
            int interruptMode = 0;
      			
      			// 等待节点被锁定直到 要么被cancel中断，要么被重新中断，则break
      			// 要么被signal()方法唤醒，isOnSyncQueue：检查当前节点是否在同步队列中
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
              	// 不在同步队列中，即在等待队列中，检查是否被中断，保证线程的有效性
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
      			
      			// 已成功加入同步队尾，判断线程是被signal唤醒还是被cancel中断了
      			
      			// 尝试自旋竞争state 成功 且 在未signal前被中断
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)				
              	// 中断模式设置为 重新中断，此情况与signal 中的unpark对应，由于前驱节点CAS竞争失败，表明前驱节点已成为头结点，而作为后继节点却竞争成功，所以应重新中断
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) 
              	// 此节点的后继仍有等待节点，遍历等待队列清除不是等待的节点，包括当前节点
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
              	// 再次检查中断状态，根据状态返回结果
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

		// 先判断队尾节点状态，不为等待，则遍历等待队列清除不是等待状态的节点，并将当前节点插入等待队尾
		private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            // 如果最后一个等待节点已经取消等待，清除它
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
              	// 遍历等待队列，移出不是等待的节点
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
      			// 将当前线程绑定到Node 节点上，设置类型waiterState =CONDITION -2
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
              	// 尾节点为空，即等待队列为空，将新标记为等待的节点加入队尾
                firstWaiter = node;
            else
              	// 尾节点存在，等待队列有节点，插入队尾
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }

		// 从等待头节点遍历等待队列，将不是等待状态的节点移出
		private void unlinkCancelledWaiters() {
            Node t = firstWaiter;
            Node trail = null;
            while (t != null) {
              	// 取后继等待节点
                Node next = t.nextWaiter;
                if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                  	// 若当前节点已经不为等待状态，将后继指针切断
                    t.nextWaiter = null;
                  	// 当前节点的前驱节点也为空，那么后继节点则为头结点
                    if (trail == null)
                        firstWaiter = next;
                    else
                      	// 前驱节点不为空，将前驱节点的后继指向后继节点，即当前节点被移出队伍
                        trail.nextWaiter = next;
                    if (next == null)
                      	// 如果后继节点也为空，则前驱节点就成为了尾节点
                        lastWaiter = trail;
                }
              
              	// 当前节点仍为等待状态，往后继节点继续遍历
                else
                    trail = t; // 指向当前节点
                t = next; //指向后继节点
            }
        }

		// 将当前运行的线程状态全部释放
		final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
          	// 获取当前state，即当前运行线程的状态，保存下来
            int savedState = getState();
          	// 释放线程（独占模式）
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
              	// 保存出队前的状态，用于唤醒线程
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }

		// 验证当前节点是否在同步队列中
		final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
        if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
          	// 节点状态仍为等待，或者前驱没有节点（同步队列从队尾插入，除了获取锁的头结点，一般都有前驱节点）
            return false;
        if (node.next != null) 
          // 如果存在后继节点，它肯定也是在队列里的  
          return true;
        // 从同步队尾往前循环遍历，验证节点的存在
        return findNodeFromTail(node);
    }

		// 从尾部循环遍历，是否存在节点
		private boolean findNodeFromTail(Node node) {
        Node t = tail;
        for (;;) {
            if (t == node)
                return true;
            if (t == null)
                return false;
            t = t.prev;
        }
    }

		// 检查是否有中断，如果在single()之前中断，则返回-1；如果在single()之后，则返回1；如果没有中断，则返回0。
		private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
      			// 在中断的前提下从等待队列移到同步队列成功返回 THROW_IE = -1;表示在single()之前，被cancel中断退出等待队列，并抛出InterruptedException 
      			// 在中断的前提下，节点状态已经从CONDITION 变为0了，且在同步队列中，返回 REINTERRUPT = 1;表示在signal()后被重新中断 
      			// 没有被中断返回 0 
            return Thread.interrupted() ?
                (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
                0;
        }

		// 检测线程的中断状态
		public static boolean interrupted() {
        return currentThread().isInterrupted(true);
    }

		// 节点取消等待状态将其从等待队列移出，放入同步队尾
		final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
      	// 节点仍为等待状态，CAS从等待-2设置为0,设置成功证明等待节点还未被signal()，但是此时在signal前已经中断，则最后要抛出异常InterruptedException来表明节点状况
        if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
          	// 转移节点，从等待队列中拿出，循环插入同步队尾直到成功
            enq(node);
            return true;
        }
      	
      	// 节点已经不处于 CONDITION 状态，则节点已为0 ，即是在被single()之后
      	// 在一个转移过程中被取消是罕见的现象，即将节点从等待队列加入到队尾过程，所以自旋等待 signal方法中 enq 方法结束才可以操作，所以此时自旋即可
      	// 自旋判断节点是否已经在同步队列中，未在 则暂停线程让出资源
        while (!isOnSyncQueue(node))
            Thread.yield();
      	// 已经在同步队列，节点状态仍为 CONDITION，代表在signal后被重新中断了
        return false;
    }

		// 自旋竞争state，若竞争state失败，证明其他线程持有锁
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
              	// 前驱节点为头结点 且此节点CAS竞争state成功
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
              	// 自旋检测前驱节点state，竞争state，竞争失败执行park阻塞
              	// park的前提是检查到前驱节点拥有锁，释放后可以安心unpark此节点
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
              	// 最终失败，取消竞争操作
                cancelAcquire(node);
        }
    }

		// 根据状态返回结果，或者不操作，
		private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
            throws InterruptedException {
            if (interruptMode == THROW_IE)
              	//若为THROW_IE -1，则抛出中断异常；
                throw new InterruptedException();
            else if (interruptMode == REINTERRUPT)
              	// 若为 REINTERRUPT 1，表示再次被中断，则对当前线程进行中断操作
                selfInterrupt();
        }

signal 唤醒

与await 方法相对于的，就是signal 唤醒方法，它可以将被await 等待的线程进行唤醒。

接下来我们看一下signal 方法，以下是它的完整调用链路：

		//signal 方法完整调用链路
		public final void signal() {
    	if (!isHeldExclusively())
    		throw new IllegalMonitorStateException();
    	Node first = firstWaiter;
   		if (first != null)
    		doSignal(first);
    }

		// 同样也是提供了一个模板方法，AQS中没有具体实现，交由子类实现
		// 用于判断当前线程是否持有锁
		protected boolean isHeldExclusively() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
		// ReentrantLock中的实现：判断当前线程是否为拥有锁的独占线程
		protected final boolean isHeldExclusively() {
    	return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
    }

		// 遍历等待队列，将一个合适的等待节点设为0插入同步队尾，并unpark当前线程提供一个竞争机会
		private void doSignal(Node first) {
    	do {
    		if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
          // 后继等待节点为空，即等待队列已经没有节点了，设置尾部指针为空
    			lastWaiter = null;
        // 当前等待首节点的后继指针切断，设为空
    		first.nextWaiter = null;
        
        // 等待首节点设置为0插入同步队尾失败 且 后继节点不为空，赋值为后继节点继续循环
    	} while (!transferForSignal(first) &&
    		(first = firstWaiter) != null);
    }

		// 将等待节点插入队尾，并设置为初始态=0，除了前置节点正在拥有锁的情况下，unpark当前线程提供一个竞争机会
		final boolean transferForSignal(Node node) {
        
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
          	// 设置等待节点状态为0失败
            return false;
				
      	// 设置节点为0成功，循环插入同步队尾直至插入成功，返回前置节点，即旧的尾节点
        Node p = enq(node);
      
        int ws = p.waitStatus;
      
      	// 只有CANCELLED = 1 > 0，如果 前置节点已经被取消，尝试唤醒当前线程
      	// 前置节点设置为 SIGNAL=-1 失败，意味着CAS竞争锁失败，尝试唤醒当前线程
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
      
      	// 只要成功插入同步队尾即算作成功
        return true;
    }

AQS设计模式巧思：模版方法

AQS设计为一个抽象类，但在他的类里却没有任何一个抽象方法，取而代之的是定义了很多抛出UnsupportedOperationException异常的空方法，这是为什么呢？

这就是AQS设计的巧思，模版方法的设计，AQS提供了一套加锁、解锁的模版方法，但是它的子类不需要实现所有方法，可以实现自己需要的方法即可，未实现的方法在调用是就会抛出异常，用这个设计保证了模版里方法的安全性。

这一个实现抽象时很好的设计思路，日常编码时非常值得借鉴。

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    // 若子类未实现，调用此方法会抛出异常
    throw new UnsupportedOperationException();
}

AQS的应用

因为模版方法的设计，我们可以自定义实现自己的线程操作工具，在JUC包中也存在了一些官方提供的实现类工具，例如ReentrantLock、CyclicBarrier、CountDownLatch、Semaphore等常用的工具类，他们都各有特点，后续我们会展开说明。