AQS底层源码解析

可重入锁

又叫递归锁，同一个线程在外层方法获得锁的时候，再进入该线程内层方法会自动获取锁，（前提锁对象是同一个对象）。不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。

Synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，优点是可一定程度避免死锁

synchronized重入实现机理

每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针。在这里插入图片描述

LockSupport

用于创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。

该类与使用它的每个线程关联一个许可证，如果许可证可用，立即返回park，并在此过程中消费，如果尚未获得许可，则致电unpark获得许可。

对线程等待唤醒机制的改良

synchronized里面是wait和notify，Object中的方法。
限制：但是必须先wait后notify，必须在同步块或方法里且成对使用。

lock里面，通过lock.newCondition方法获取到Condition，这里方法有await和signal。
限制：必须和lock和unlock组队才能，必须在同步块或方法里且成对使用。

所以上面其实一样的限制，传统的实现等待唤醒都有约束。

LockSupport类中的方法park()和unpark()阻塞当前线程和唤醒指定被阻塞的线程，没有了上面两种的限制。没有顺序，先后都行。

所以有三种等待唤醒的方法

那LockSupport原理是什么？

LockSupport是一个线程阻塞工具类，所有方法都是静态方法，可以让线程在任意位置阻塞，阻塞后也有对应的唤醒方法。归根结底，LockSupport调用的Unsafe类中的native方法。
LockSupport和每个使用他的线程都有一个许可permit关联，permit相当于1，0的开关，默认0
调用一次unpark就加1变成1
调用一次park会消费permit，将1变成0，同时park立即返回
如再次调用park会变成阻塞（因为permit为0会阻塞在这里，一直到permit为1），这是调用unpark会把permit置为1
每个线程都有一个相关的permit，permit最多只有一个，重复调用unpark也不会积累凭证。

阻塞是0，唤醒后变为1.unpark发放通行证0变成1，阻塞park消耗通行证将1变成0

面试题：

为什么可以先唤醒线程后阻塞线程？

因为unpark或得一个凭证，之后再调用park方法，就可以名正言顺的凭证消费，所以不会阻塞。

为什么唤醒两次后阻塞两次，但最终结果还会阻塞线程？

因为凭证数量最多为1，连续调用两次和调用一次unpark效果一样，只会增加一个凭证，而调用两次park却需要消耗两个凭证，证不够（两个车只有一个通行证），不能放行。

学习上面为了AQS

AQS—抽象队列同步器，抽象类

底层LockSupport
是用来构建锁（ReentrantLock，CountDownLunch，Semphore，CyclicBy）或者其他同步器组件的重量级基础框架及整个JUC体系的基石。通过内置的FIFO先进先出队列来完成资源获取线程的排队工作，并通过一个int类型变量表示持有锁的状态。

源码jar包有三个，最重要的AbstractQueueSynchronizer，简称AQS

在这里插入图片描述
AQS就是变量state➕队列
如果共享资源state被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中，这个队列就是AQS的抽象表现。它将请求共享资源的线程封装成队列的节点Node，通过CAS，自旋以及LockSupport的park方法的方式，维护state变量的状态，使并发达到同步的控制效果。

和AQS有关的
ReentrantLock，CountDownLatch，ReentrantReadWriteLock，Semaphore，CyclicBarrier等都和AQS有关。。。所以AQS重要。。

在这里插入图片描述
AQS干嘛？加锁导致阻塞，需要排队，所以AQS
AQS使用一个volatile的int类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作，将每条要去抢占资源的线程封装成一个Node节点来实现锁的分配，通过CAS完成对state值的修改。

源码

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
    /**
     * Head of the wait queue, lazily initialized.  Except for
     * initialization, it is modified only via method setHead.  Note:
     * If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be
     * CANCELLED.
     */
    private transient volatile Node head;//头部

    /**
     * Tail of the wait queue, lazily initialized.  Modified only via
     * method enq to add new wait node.
     */
    private transient volatile Node tail;//尾部

    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;//state表示状态，volatile修饰，默认0

//Node节点
	static final class Node {
        //共享
        static final Node SHARED = new Node();
        //独占
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        //线程被取消了
        static final int CANCELLED =  1;
        //后续线程需要唤醒
        static final int SIGNAL    = -1;
        //等待condition唤醒
        static final int CONDITION = -2;
        //共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
        static final int PROPAGATE = -3;
        //队列中每一个线程等待状态
        volatile int waitStatus;
        volatile Node prev;//前指针
        volatile Node next;//后指针
        volatile Thread thread;//Node节点里面包的是线程
        Node nextWaiter;

        /**
         * Returns true if node is waiting in shared mode.
         */
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }

        /**
         * Returns previous node, or throws NullPointerException if null.
         * Use when predecessor cannot be null.  The null check could
         * be elided, but is present to help the VM.
         *
         * @return the predecessor of this node
         */
        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;
        }
    }

}

然后再看这张图，通过源码看图
在这里插入图片描述
1.同步状态的state成员变量，volatile修饰，0没有人，1，有人占用，等着。自旋等待
2.CLH队列，Node节点实现的一个虚拟双向队列。尾部入队，头部出队。

通过ReentrantLock源码解读AQS（重点）

在这里插入图片描述
公平锁和非公平的代码区别
少了一个hasQueuePredecessors判断是否需要排队
公平锁，先来先到，线程在获取锁时，如果这个锁的等待队列中已经有线程在等待，那么当前线程进入等待队列。
非公平锁，不管是否有等待队列，如果可以获取锁，立刻占有，队列第一个线程在unpark，之后还是需要竞争。
在这里插入图片描述
开始

首先A线程lock方法，cas修改aqs中state为1，然后设置为当前A线程
B线程及其他线程进来cas失败，走acquire方法
acquire方法中，tryAcquire，acquireQueued，addWaiter方法重点
正常BtryAcquire方法返回false，然后调用addWaiter

final void lock() {
        //第一个线程进入cas设置aqs中的state值0到1，如果成功，占到了
            if (compareAndSetState(0, 1))
            //设置为当前第一个线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
            //第二个线程没有cas成功，走这里，1表示一个人
                acquire(1);
        }
        arg=1
public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    	}

tryAcquire方法实现

	final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
	//这个current就是线程B
            final Thread current = Thread.currentThread();
            //获取state的值
            int c = getState();
            //如果是0，说明释放了，直接cas
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //判断B线程和当前正在执行业务线程是否同一个，不是就返回false
            //还有情况是A占用了两次，这里有可能state是2，可重入锁
            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;
        }

addWaiter方法

线程B没有抢到锁，
在这里插入图片描述
addWaiter方法加入队列，如果此时C线程进入，也是进入队列。慢慢就形成了队列

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        //c线程进入
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }
    //B线程开始进入队列
private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
            //开始初始化，第一个节点是空节点new Node，作为头节点，也叫哨兵节点，作用是占位
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                //头尾节点
                    tail = head;
            } else {
            //B节点的前指针是哨兵节点
                node.prev = t;
                //比较并交换，设置尾节点
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                //尾节点
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }
//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;
        }
 	public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

acquireQueue方法

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    	}
 }
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
        	//是否被打断
            boolean interrupted = false;
            //自旋
            for (;;) {
            //B线程进入，返回p是哨兵节点
                final Node p = node.predecessor();
                //tryAcquire再抢一次，失败，不进来
                //如果抢占成功，
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //哨兵节点出队，现在开始指向B节点，B节点此时前指针是null，B变成了哨兵节点
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC，原来的哨兵节点没用了，被GC回收
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                //在抢占失败后park
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

第一次进入，哨兵节点waitStatus=0，变成-1
第二次进入等于-1，返回true

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
		//哨兵节点的waitStatus=0
        int ws = pred.waitStatus;
        //SINGAL=-1
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } 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.
             */
             //ws的值从0变成-1，将哨兵节点waitStatus变成-1
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

这里就是LockSupport，这里park被阻塞，真正的B线程进入队列，阻塞了，其他线程也是在这里开始park阻塞。线程挂起。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

A线程占用半天了，需要unlock了。

public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            //哨兵节点此时waitstatus=-1
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
            //将waitstatus设置为0
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

AQS解锁

protected final boolean tryRelease(int releases) {
//1-1=0
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //此时=0
            if (c == 0) {
                free = true;
                //设置当前占用线程为null
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //设置state=0
            setState(c);
            return free;
        }

private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        //哨兵节点从-1设置为0
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
         //获取到的s是B节点
        Node s = node.next;
        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;
        }
        //B节点不是null
        if (s != null)
        //B节点唤醒，将前面park阻塞的唤醒，出队列了
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

然后Thread.interrupted()开始执行，返回false，然后又进入循环开始抢占B线程占用
占用线程后，原来哨兵节点不用，被GC回收，B线程节点变成新的哨兵节点

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }