目录
- Doug Lea — JUC并发包的作者
- 锁框架
- Lock和Condition接口
- 可重入锁
- 公平锁与非公平锁
- 读写锁
- 锁降级和锁升级
- 队列同步器AQS
- 底层实现
- 公平锁一定公平吗？
- Condition实现原理
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在前面，我们了解了多线程的底层运作机制，我们终于知道，原来多线程环境下存在着如此之多的问题。在JDK5之前，我们只能选择synchronized关键字来实现锁，而JDK5之后，由于volatile关键字得到了升级（具体功能就是上一章所描述的），所以并发框架包便出现了，相比传统的synchronized关键字，我们对于锁的实现，有了更多的选择。
Doug Lea — JUC并发包的作者
如果IT的历史，是以人为主体串接起来的话，那么肯定少不了Doug Lea。这个鼻梁挂着眼镜，留着德王威廉二世的胡子，脸上永远挂着谦逊腼腆笑容，服务于纽约州立大学Oswego分校计算机科学系的老大爷。
说他是这个世界上对Java影响力最大的一个人，一点也不为过。因为两次Java历史上的大变革，他都间接或直接的扮演了举足轻重的角色。2004年所推出的Tiger。Tiger广纳了15项JSRs(Java Specification Requests)的语法及标准，其中一项便是JSR-166。JSR-166是来自于Doug编写的util.concurrent包。
锁框架
在JDK 5之后，并发包中新增了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁功能，Lock接口提供了与synchronized关键字类似的同步功能，但需要在使用时手动获取锁和释放锁。
Lock和Condition接口
使用并发包中的锁和我们传统的synchronized锁不太一样，这里的锁我们可以认为是一把真正意义上的锁，每个锁都是一个对应的锁对象，我只需要向锁对象获取锁或是释放锁即可。我们首先来看看，此接口中定义了什么：
public interface Lock {
//获取锁，拿不到锁会阻塞，等待其他线程释放锁，获取到锁后返回
void lock();
//同上，但是等待过程中会响应中断
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
//尝试获取锁，但是不会阻塞，如果能获取到会返回true，不能返回false
boolean tryLock();
//尝试获取锁，但是可以限定超时时间，如果超出时间还没拿到锁返回false，否则返回true，可以响应中断
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//释放锁
void unlock();
//暂时可以理解为替代传统的Object的wait()、notify()等操作的工具
Condition newCondition();
}
这里我们可以演示一下，如何使用Lock类来进行加锁和释放锁操作：
public class Main {
private static int i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock testLock = new ReentrantLock(); //可重入锁ReentrantLock类是Lock类的一个实现，我们后面会进行介绍
Runnable action = () -> {
for (int j = 0; j < 100000; j++) { //还是以自增操作为例
testLock.lock(); //加锁，加锁成功后其他线程如果也要获取锁，会阻塞，等待当前线程释放
i++;
testLock.unlock(); //解锁，释放锁之后其他线程就可以获取这把锁了（注意在这之前一定得加锁，不然报错）
}
};
new Thread(action).start();
new Thread(action).start();
Thread.sleep(1000); //等上面两个线程跑完
System.out.println(i);
}
}
可以看到，和我们之前使用synchronized相比，我们这里是真正在操作一个"锁"对象，当我们需要加锁时，只需要调用lock()方法，而需要释放锁时，只需要调用unlock()方法。程序运行的最终结果和使用synchronized锁是一样的。
那么，我们如何像传统的加锁那样，调用对象的wait()和notify()方法呢，并发包提供了Condition接口：
public interface Condition {
//与调用锁对象的wait方法一样，会进入到等待状态，但是这里需要调用Condition的signal或signalAll方法进行唤醒（感觉就是和普通对象的wait和notify是对应的）同时，等待状态下是可以响应中断的
void await() throws InterruptedException;
//同上，但不响应中断（看名字都能猜到）
void awaitUninterruptibly();
//等待指定时间，如果在指定时间（纳秒）内被唤醒，会返回剩余时间，如果超时，会返回0或负数，可以响应中断
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
//等待指定时间（可以指定时间单位），如果等待时间内被唤醒，返回true，否则返回false，可以响应中断
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//可以指定一个明确的时间点，如果在时间点之前被唤醒，返回true，否则返回false，可以响应中断
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
//唤醒一个处于等待状态的线程，注意还得获得锁才能接着运行
void signal();
//同上，但是是唤醒所有等待线程
void signalAll();
}
这里我们通过一个简单的例子来演示一下：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock testLock = new ReentrantLock();
Condition condition = testLock.newCondition();
new Thread(() -> {
testLock.lock(); //和synchronized一样，必须持有锁的情况下才能使用await
System.out.println("线程1进入等待状态！");
try {
condition.await(); //进入等待状态
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程1等待结束！");
testLock.unlock();
}).start();
Thread.sleep(100); //防止线程2先跑
new Thread(() -> {
testLock.lock();
System.out.println("线程2开始唤醒其他等待线程");
condition.signal(); //唤醒线程1，但是此时线程1还必须要拿到锁才能继续运行
System.out.println("线程2结束");
testLock.unlock(); //这里释放锁之后，线程1就可以拿到锁继续运行了
}).start();
}
可以发现，Condition对象使用方法和传统的对象使用差别不是很大。
思考：下面这种情况跟上面有什么不同？
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock testLock = new ReentrantLock();
new Thread(() -> {
testLock.lock();
System.out.println("线程1进入等待状态！");
try {
testLock.newCondition().await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程1等待结束！");
testLock.unlock();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
testLock.lock();
System.out.println("线程2开始唤醒其他等待线程");
testLock.newCondition().signal();
System.out.println("线程2结束");
testLock.unlock();
}).start();
}
通过分析可以得到，在调用newCondition()后，会生成一个新的Condition对象，并且同一把锁内是可以存在多个Condition对象的（实际上原始的锁机制等待队列只能有一个，而这里可以创建很多个Condition来实现多等待队列），而上面的例子中，实际上使用的是不同的Condition对象，只有对同一个Condition对象进行等待和唤醒操作才会有效，而不同的Condition对象是分开计算的。
最后我们再来讲解一下时间单位，这是一个枚举类，也是位于java.util.concurrent包下：
public enum TimeUnit {
/**
* Time unit representing one thousandth of a microsecond
*/
NANOSECONDS {
public long toNanos(long d) { return d; }
public long toMicros(long d) { return d/(C1/C0); }
public long toMillis(long d) { return d/(C2/C0); }
public long toSeconds(long d) { return d/(C3/C0); }
public long toMinutes(long d) { return d/(C4/C0); }
public long toHours(long d) { return d/(C5/C0); }
public long toDays(long d) { return d/(C6/C0); }
public long convert(long d, TimeUnit u) { return u.toNanos(d); }
int excessNanos(long d, long m) { return (int)(d - (m*C2)); }
},
//...
}
可以看到时间单位有很多的，比如DAY、SECONDS、MINUTES等，我们可以直接将其作为时间单位，比如我们要让一个线程等待3秒钟，可以像下面这样编写：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock testLock = new ReentrantLock();
new Thread(() -> {
testLock.lock();
try {
System.out.println("等待是否未超时："+testLock.newCondition().await(1, TimeUnit.SECONDS));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
testLock.unlock();
}).start();
}
当然，Lock类的tryLock方法也是支持使用时间单位的，各位可以自行进行测试。TimeUnit除了可以作为时间单位表示以外，还可以在不同单位之间相互转换：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println("60秒 = "+TimeUnit.SECONDS.toMinutes(60) +"分钟");
System.out.println("365天 = "+TimeUnit.DAYS.toSeconds(365) +" 秒");
}
也可以更加便捷地使用对象的wait()方法：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
synchronized (Main.class) {
System.out.println("开始等待");
TimeUnit.SECONDS.timedWait(Main.class, 3); //直接等待3秒
System.out.println("等待结束");
}
}
我们也可以直接使用它来进行休眠操作：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1); //休眠1秒钟
}
可重入锁
前面，我们讲解了锁框架的两个核心接口，那么我们接着来看看锁接口的具体实现类，我们前面用到了ReentrantLock，它其实是锁的一种，叫做可重入锁，那么这个可重入代表的是什么意思呢？简单来说，就是同一个线程，可以反复进行加锁操作：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
lock.lock(); //连续加锁2次
new Thread(() -> {
System.out.println("线程2想要获取锁");
lock.lock();
System.out.println("线程2成功获取到锁");
}).start();
lock.unlock();
System.out.println("线程1释放了一次锁");
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock.unlock();
System.out.println("线程1再次释放了一次锁"); //释放两次后其他线程才能加锁
}
可以看到，主线程连续进行了两次加锁操作（此操作是不会被阻塞的），在当前线程持有锁的情况下继续加锁不会被阻塞，并且，加锁几次，就必须要解锁几次，否则此线程依旧持有锁。我们可以使用getHoldCount()方法查看当前线程的加锁次数：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
lock.lock();
System.out.println("当前加锁次数："+lock.getHoldCount()+"，是否被锁："+lock.isLocked());
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock.unlock();
System.out.println("当前加锁次数："+lock.getHoldCount()+"，是否被锁："+lock.isLocked());
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock.unlock();
System.out.println("当前加锁次数："+lock.getHoldCount()+"，是否被锁："+lock.isLocked());
}
可以看到，当锁不再被任何线程持有时，值为0，并且通过isLocked()方法查询结果为false。
实际上，如果存在线程持有当前的锁，那么其他线程在获取锁时，是会暂时进入到等待队列的，我们可以通过getQueueLength()方法获取等待中线程数量的预估值：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
Thread t1 = new Thread(lock::lock), t2 = new Thread(lock::lock);;
t1.start();
t2.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println("当前等待锁释放的线程数："+lock.getQueueLength());
System.out.println("线程1是否在等待队列中："+lock.hasQueuedThread(t1));
System.out.println("线程2是否在等待队列中："+lock.hasQueuedThread(t2));
System.out.println("当前线程是否在等待队列中："+lock.hasQueuedThread(Thread.currentThread()));
}
我们可以通过hasQueuedThread()方法来判断某个线程是否正在等待获取锁状态。
同样的，Condition也可以进行判断：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
lock.unlock();
}).start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock.lock();
System.out.println("当前Condition的等待线程数："+lock.getWaitQueueLength(condition));
condition.signal();
System.out.println("当前Condition的等待线程数："+lock.getWaitQueueLength(condition));
lock.unlock();
}
通过使用getWaitQueueLength()方法能够查看同一个Condition目前有多少线程处于等待状态。
公平锁与非公平锁
前面我们了解了如果线程之间争抢同一把锁，会暂时进入到等待队列中，那么多个线程获得锁的顺序是不是一定是根据线程调用lock()方法时间来定的呢，我们可以看到，ReentrantLock的构造方法中，是这样写的：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync(); //看名字貌似是非公平的
}
其实锁分为公平锁和非公平锁，默认我们创建出来的ReentrantLock是采用的非公平锁作为底层锁机制。那么什么是公平锁什么又是非公平锁呢？
公平锁：多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，线程会直接进入队列去排队，永远都是队列的第一位才能得到锁。
非公平锁：多个线程去获取锁的时候，会直接去尝试获取，获取不到，再去进入等待队列，如果能获取到，就直接获取到锁。
简单来说，公平锁不让插队，都老老实实排着；非公平锁让插队，但是排队的人让不让你插队就是另一回事了。
我们可以来测试一下公平锁和非公平锁的表现情况：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync(); //看名字貌似是非公平的
}
这里我们选择使用第二个构造方法，可以选择是否为公平锁实现：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
Runnable action = () -> {
System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 开始获取锁...");
lock.lock();
System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 成功获取锁！");
lock.unlock();
};
for (int i = 0; i < 10; i++) { //建立10个线程
new Thread(action, "T"+i).start();
}
}
这里我们只需要对比将在1秒后开始获取锁…和成功获取锁！的顺序是否一致即可，如果是一致，那说明所有的线程都是按顺序排队获取的锁，如果不是，那说明肯定是有线程插队了。
运行结果可以发现，在公平模式下，确实是按照顺序进行的，而在非公平模式下，一般会出现这种情况：线程刚开始获取锁马上就能抢到，并且此时之前早就开始的线程还在等待状态，很明显的插队行为。
那么，接着下一个问题，公平锁在任何情况下都一定是公平的吗？有关这个问题，我们会留到队列同步器中再进行讨论。
读写锁
除了可重入锁之外，还有一种类型的锁叫做读写锁，当然它并不是专门用作读写操作的锁，它和可重入锁不同的地方在于，可重入锁是一种排他锁，当一个线程得到锁之后，另一个线程必须等待其释放锁，否则一律不允许获取到锁。而读写锁在同一时间，是可以让多个线程获取到锁的，它其实就是针对于读写场景而出现的。
读写锁维护了一个读锁和一个写锁，这两个锁的机制是不同的。
读锁：在没有任何线程占用写锁的情况下，同一时间可以有多个线程加读锁。
写锁：在没有任何线程占用读锁的情况下，同一时间只能有一个线程加写锁。
读写锁也有一个专门的接口：
public interface ReadWriteLock {
//获取读锁
Lock readLock();
//获取写锁
Lock writeLock();
}
此接口有一个实现类ReentrantReadWriteLock（实现的是ReadWriteLock接口，不是Lock接口，它本身并不是锁），注意我们操作ReentrantReadWriteLock时，不能直接上锁，而是需要获取读锁或是写锁，再进行锁操作：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.readLock().lock();
new Thread(lock.readLock()::lock).start();
}
这里我们对读锁加锁，可以看到可以多个线程同时对读锁加锁。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.readLock().lock();
new Thread(lock.writeLock()::lock).start();
}
有读锁状态下无法加写锁，反之亦然：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.writeLock().lock();
new Thread(lock.readLock()::lock).start();
}
并且，ReentrantReadWriteLock不仅具有读写锁的功能，还保留了可重入锁和公平/非公平机制，比如同一个线程可以重复为写锁加锁，并且必须全部解锁才真正释放锁：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.writeLock().lock();
lock.writeLock().lock();
new Thread(() -> {
lock.writeLock().lock();
System.out.println("成功获取到写锁！");
}).start();
System.out.println("释放第一层锁！");
lock.writeLock().unlock();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println("释放第二层锁！");
lock.writeLock().unlock();
}
通过之前的例子来验证公平和非公平：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true);
Runnable action = () -> {
System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 将在1秒后开始获取锁...");
lock.writeLock().lock();
System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 成功获取锁！");
lock.writeLock().unlock();
};
for (int i = 0; i < 10; i++) { //建立10个线程
new Thread(action, "T"+i).start();
}
}
可以看到，结果是一致的。
锁降级和锁升级
锁降级指的是写锁降级为读锁。当一个线程持有写锁的情况下，虽然其他线程不能加读锁，但是线程自己是可以加读锁的：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.writeLock().lock();
lock.readLock().lock();
System.out.println("成功加读锁！");
}
那么，如果我们在同时加了写锁和读锁的情况下，释放写锁，是否其他的线程就可以一起加读锁了呢？
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.writeLock().lock();
lock.readLock().lock();
new Thread(() -> {
System.out.println("开始加读锁！");
lock.readLock().lock();
System.out.println("读锁添加成功！");
}).start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock.writeLock().unlock(); //如果释放写锁，会怎么样？
}
可以看到，一旦写锁被释放，那么主线程就只剩下读锁了，因为读锁可以被多个线程共享，所以这时第二个线程也添加了读锁。而这种操作，就被称之为"锁降级"（注意不是先释放写锁再加读锁，而是持有写锁的情况下申请读锁再释放写锁）
注意在仅持有读锁的情况下去申请写锁，属于"锁升级"，ReentrantReadWriteLock是不支持的：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.readLock().lock();
lock.writeLock().lock();
System.out.println("所升级成功！");
}
可以看到线程直接卡在加写锁的那一句了。
队列同步器AQS
注意：难度巨大，如果对锁的使用不是很熟悉建议之后再来看！
前面我们了解了可重入锁和读写锁，那么它们的底层实现原理到底是什么样的呢？又是大家看到就想跳过的套娃解析环节。
比如我们执行了ReentrantLock的lock()方法，那它的内部是怎么在执行的呢？
public void lock() {
sync.lock();
}
可以看到，它的内部实际上啥都没做，而是交给了Sync对象在进行，并且，不只是这个方法，其他的很多方法都是依靠Sync对象在进行：
public void unlock() {
sync.release(1);
}
那么这个Sync对象是干什么的呢？可以看到，公平锁和非公平锁都是继承自Sync，而Sync是继承自AbstractQueuedSynchronizer，简称队列同步器：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//...
}
static final class NonfairSync extends Sync {}
static final class FairSync extends Sync {}
所以，要了解它的底层到底是如何进行操作的，还得看队列同步器，我们就先从这里下手吧！
底层实现
AbstractQueuedSynchronizer（下面称为AQS）是实现锁机制的基础，它的内部封装了包括锁的获取、释放、以及等待队列。
一个锁（排他锁为例）的基本功能就是获取锁、释放锁、当锁被占用时，其他线程来争抢会进入等待队列，AQS已经将这些基本的功能封装完成了，其中等待队列是核心内容，等待队列是由双向链表数据结构实现的，每个等待状态下的线程都可以被封装进结点中并放入双向链表中，而对于双向链表是以队列的形式进行操作的，它像这样：
AQS中有一个head字段和一个tail字段分别记录双向链表的头结点和尾结点，而之后的一系列操作都是围绕此队列来进行的。我们先来了解一下每个结点都包含了哪些内容：
//每个处于等待状态的线程都可以是一个节点，并且每个节点是有很多状态的
static final class Node {
//每个节点都可以被分为独占模式节点或是共享模式节点，分别适用于独占锁和共享锁
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;
//等待状态，这里都定义好了
//唯一一个大于0的状态，表示已失效，可能是由于超时或中断，此节点被取消。
static final int CANCELLED = 1;
//此节点后面的节点被挂起（进入等待状态）
static final int SIGNAL = -1;
//在条件队列中的节点才是这个状态
static final int CONDITION = -2;
//传播，一般用于共享锁
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus; //等待状态值
volatile Node prev; //双向链表基操
volatile Node next;
volatile Thread thread; //每一个线程都可以被封装进一个节点进入到等待队列
Node nextWaiter; //在等待队列中表示模式，条件队列中作为下一个结点的指针
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node() {
}
Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
在一开始的时候，head和tail都是null，state为默认值0：
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;
不用担心双向链表不会进行初始化，初始化是在实际使用时才开始的，先不管，我们接着来看其他的初始化内容：
//直接使用Unsafe类进行操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//记录类中属性的在内存中的偏移地址，方便Unsafe类直接操作内存进行赋值等（直接修改对应地址的内存）
private static final long stateOffset; //这里对应的就是AQS类中的state成员字段
private static final long headOffset; //这里对应的就是AQS类中的head头结点成员字段
private static final long tailOffset;
private static final long waitStatusOffset;
private static final long nextOffset;
static { //静态代码块，在类加载的时候就会自动获取偏移地址
try {
stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
headOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
(Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
(Node.class.getDeclaredField("next"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
//通过CAS操作来修改头结点
private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
//调用的是Unsafe类的compareAndSwapObject方法，通过CAS算法比较对象并替换
return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
}
//同上，省略部分代码
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
private static final boolean compareAndSetWaitStatus(Node node, int expect, int update) {
private static final boolean compareAndSetNext(Node node, Node expect, Node update) {
可以发现，队列同步器由于要使用到CAS算法，所以，直接使用了Unsafe工具类，Unsafe类中提供了CAS操作的方法（Java无法实现，底层由C++实现）所有对AQS类中成员字段的修改，都有对应的CAS操作封装。
现在我们大致了解了一下它的底层运作机制，我们接着来看这个类是如何进行使用的，它提供了一些可重写的方法（根据不同的锁类型和机制，可以自由定制规则，并且为独占式和非独占式锁都提供了对应的方法），以及一些已经写好的模板方法（模板方法会调用这些可重写的方法），使用此类只需要将可重写的方法进行重写，并调用提供的模板方法，从而实现锁功能（学习过设计模式会比较好理解一些）
我们首先来看可重写方法：
//独占式获取同步状态，查看同步状态是否和参数一致，如果返没有问题，那么会使用CAS操作设置同步状态并返回true
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//独占式释放同步状态
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享式获取同步状态，返回值大于0表示成功，否则失败
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享式释放同步状态
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//是否在独占模式下被当前线程占用（锁是否被当前线程持有）
protected boolean isHeldExclusively() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
可以看到，这些需要重写的方法默认是直接抛出UnsupportedOperationException，也就是说根据不同的锁类型，我们需要去实现对应的方法，我们可以来看一下ReentrantLock（此类是全局独占式的）中的公平锁是如何借助AQS实现的：
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
//加锁操作调用了模板方法acquire
//为了防止各位绕晕，请时刻记住，lock方法一定是在某个线程下为了加锁而调用的，并且同一时间可能会有其他线程也在调用此方法
final void lock() {
acquire(1);
}
...
}
我们先看看加锁操作干了什么事情，这里直接调用了AQS提供的模板方法acquire()，我们来看看它在AQS类中的实现细节：
@ReservedStackAccess //这个是JEP 270添加的新注解，它会保护被注解的方法，通过添加一些额外的空间，防止在多线程运行的时候出现栈溢出，下同
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) //节点为独占模式Node.EXCLUSIVE
selfInterrupt();
}
首先会调用tryAcquire()方法（这里是由FairSync类实现的），如果尝试加独占锁失败（返回false了）说明可能这个时候有其他线程持有了此独占锁，所以当前线程得先等着，那么会调用addWaiter()方法将线程加入等待队列中：
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 先尝试使用CAS直接入队，如果这个时候其他线程也在入队（就是不止一个线程在同一时间争抢这把锁）就进入enq()
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//此方法是CAS快速入队失败时调用
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
//自旋形式入队，可以看到这里是一个无限循环
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { //这种情况只能说明头结点和尾结点都还没初始化
if (compareAndSetHead(new Node())) //初始化头结点和尾结点
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t; //只有CAS成功的情况下，才算入队成功，如果CAS失败，那说明其他线程同一时间也在入队，并且手速还比当前线程快，刚好走到CAS操作的时候，其他线程就先入队了，那么这个时候node.prev就不是我们预期的节点了，而是另一个线程新入队的节点，所以说得进下一次循环再来一次CAS，这种形式就是自旋
}
在了解了addWaiter()方法会将节点加入等待队列之后，我们接着来看，addWaiter()会返回已经加入的节点，acquireQueued()在得到返回的节点时，也会进入自旋状态，等待唤醒（也就是开始进入到拿锁的环节了）：
@ReservedStackAccess
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) { //可以看到当此节点位于队首(node.prev == head)时，会再次调用tryAcquire方法获取锁，如果获取成功，会返回此过程中是否被中断的值
setHead(node); //新的头结点设置为当前结点
p.next = null; // 原有的头结点没有存在的意义了
failed = false; //没有失败
return interrupted; //直接返回等待过程中是否被中断
}
//依然没获取成功，
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //将当前节点的前驱节点等待状态设置为SIGNAL，如果失败将直接开启下一轮循环，直到成功为止，如果成功接着往下
parkAndCheckInterrupt()) //挂起线程进入等待状态，等待被唤醒，如果在等待状态下被中断，那么会返回true，直接将中断标志设为true，否则就是正常唤醒，继续自旋
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); //通过unsafe类操作底层挂起线程（会直接进入阻塞状态）
return Thread.interrupted();
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true; //已经是SIGNAL，直接true
if (ws > 0) { //不能是已经取消的节点，必须找到一个没被取消的
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node; //直接抛弃被取消的节点
} else {
//不是SIGNAL，先CAS设置为SIGNAL（这里没有返回true因为CAS不一定成功，需要下一轮再判断一次）
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false; //返回false，马上开启下一轮循环
}
所以，acquire()中的if条件如果为true，那么只有一种情况，就是等待过程中被中断了，其他任何情况下都是成功获取到独占锁，所以当等待过程被中断时，会调用selfInterrupt()方法：
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
这里就是直接向当前线程发送中断信号了。
上面提到了LockSupport类，它是一个工具类，我们也可以来玩一下这个park和unpark:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = Thread.currentThread(); //先拿到主线程的Thread对象
new Thread(() -> {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println("主线程可以继续运行了！");
LockSupport.unpark(t);
//t.interrupt(); 发送中断信号也可以恢复运行
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
System.out.println("主线程被挂起！");
LockSupport.park();
System.out.println("主线程继续运行！");
}
这里我们就把公平锁的lock()方法实现讲解完毕了（让我猜猜，已经晕了对吧，越是到源码越考验个人的基础知识掌握，基础不牢地动山摇）接着我们来看公平锁的tryAcquire()方法：
static final class FairSync extends Sync {
//可重入独占锁的公平实现
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread(); //先获取当前线程的Thread对象
int c = getState(); //获取当前AQS对象状态（独占模式下0为未占用，大于0表示已占用）
if (c == 0) { //如果是0，那就表示没有占用，现在我们的线程就要来尝试占用它
if (!hasQueuedPredecessors() && //等待队列是否不为空且当前线程没有拿到锁，其实就是看看当前线程有没有必要进行排队，如果没必要排队，就说明可以直接获取锁
compareAndSetState(0, acquires)) { //CAS设置状态，如果成功则说明成功拿到了这把锁，失败则说明可能这个时候其他线程在争抢，并且还比你先抢到
setExclusiveOwnerThread(current); //成功拿到锁，会将独占模式所有者线程设定为当前线程（这个方法是父类AbstractOwnableSynchronizer中的，就表示当前这把锁已经是这个线程的了）
return true; //占用锁成功，返回true
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //如果不是0，那就表示被线程占用了，这个时候看看是不是自己占用的，如果是，由于是可重入锁，可以继续加锁
int nextc = c + acquires; //多次加锁会将状态值进行增加，状态值就是加锁次数
if (nextc < 0) //加到int值溢出了？
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); //设置为新的加锁次数
return true;
}
return false; //其他任何情况都是加锁失败
}
}
在了解了公平锁的实现之后，是不是感觉有点恍然大悟的感觉，虽然整个过程非常复杂，但是只要理清思路，还是比较简单的。
加锁过程已经OK，我们接着来看，它的解锁过程，unlock()方法是在AQS中实现的：
public void unlock() {
sync.release(1); //直接调用了AQS中的release方法，参数为1表示解锁一次state值-1
}
@ReservedStackAccess
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) { //和tryAcquire一样，也得子类去重写，释放锁操作
Node h = head; //释放锁成功后，获取新的头结点
if (h != null && h.waitStatus != 0) //如果新的头结点不为空并且不是刚刚建立的结点（初始状态下status为默认值0，而上面在进行了shouldParkAfterFailedAcquire之后，会被设定为SIGNAL状态，值为-1）
unparkSuccessor(h); //唤醒头节点下一个节点中的线程
return true;
}
return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 将等待状态waitStatus设置为初始值0
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//获取下一个结点
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) { //如果下一个结点为空或是等待状态是已取消，那肯定是不能通知unpark的，这时就要遍历所有节点再另外找一个符合unpark要求的节点了
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) //这里是从队尾向前，因为enq()方法中的t.next = node是在CAS之后进行的，而 node.prev = t 是CAS之前进行的，所以从后往前一定能够保证遍历所有节点
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null) //要是找到了，就直接unpark，要是还是没找到，那就算了
LockSupport.unpark(s.thread);
}
那么我们来看看tryRelease()方法是怎么实现的，具体实现在Sync中：
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; //先计算本次解锁之后的状态值
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //因为是独占锁，那肯定这把锁得是当前线程持有才行
throw new IllegalMonitorStateException(); //否则直接抛异常
boolean free = false;
if (c == 0) { //如果解锁之后的值为0，表示已经完全释放此锁
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null); //将独占锁持有线程设置为null
}
setState(c); //状态值设定为c
return free; //如果不是0表示此锁还没完全释放，返回false，是0就返回true
}
综上，我们来画一个完整的流程图：
这里我们只讲解了公平锁，有关非公平锁和读写锁，还请各位观众根据我们之前的思路，自行解读。
公平锁一定公平吗？
前面我们讲解了公平锁的实现原理，那么，我们尝试分析一下，在并发的情况下，公平锁一定公平吗？
我们再次来回顾一下tryAcquire()方法的实现：
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() && //注意这里，公平锁的机制是，一开始会查看是否有节点处于等待
compareAndSetState(0, acquires)) { //如果前面的方法执行后发现没有等待节点，就直接进入占锁环节了
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;
}
所以hasQueuedPredecessors()这个环节容不得半点闪失，否则会直接破坏掉公平性，假如现在出现了这样的情况：
线程1已经持有锁了，这时线程2来争抢这把锁，走到hasQueuedPredecessors()，判断出为 false，线程2继续运行，然后线程2肯定获取锁失败（因为锁这时是被线程1占有的），因此就进入到等待队列中：
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // 线程2进来之后，肯定是要先走这里的，因为head和tail都是null
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head; //这里就将tail直接等于head了，注意这里完了之后还没完，这里只是初始化过程
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) { //由于一开始head和tail都是null，所以线程2直接就进enq()了
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node); //请看上面
return node;
}
而碰巧不巧，这个时候线程3也来抢锁了，按照正常流程走到了hasQueuedPredecessors()方法，而在此方法中：
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
//这里直接判断h != t，而此时线程2才刚刚执行完 tail = head，所以直接就返回false了
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
因此，线程3这时就紧接着准备开始CAS操作了，又碰巧，这时线程1释放锁了，现在的情况就是，线程3直接开始CAS判断，而线程2还在插入节点状态，结果可想而知，居然是线程3先拿到了锁，这显然是违背了公平锁的公平机制。
一张图就是：
因此公不公平全看hasQueuedPredecessors()，而此方法只有在等待队列中存在节点时才能保证不会出现问题。所以公平锁，只有在等待队列存在节点时，才是真正公平的。
Condition实现原理
通过前面的学习，我们知道Condition类实际上就是用于代替传统对象的wait/notify操作的，同样可以实现等待/通知模式，并且同一把锁下可以创建多个Condition对象。那么我们接着来看看，它又是如何实现的呢，我们先从单个Condition对象进行分析：
在AQS中，Condition有一个实现类ConditionObject，而这里也是使用了链表实现了条件队列：
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
/** 条件队列的头结点 */
private transient Node firstWaiter;
/** 条件队列的尾结点 */
private transient Node lastWaiter;
//...
}
这里是直接使用了AQS中的Node类，但是使用的是Node类中的nextWaiter字段连接节点，并且Node的status为CONDITION：
我们知道，当一个线程调用await()方法时，会进入等待状态，直到其他线程调用signal()方法将其唤醒，而这里的条件队列，正是用于存储这些处于等待状态的线程。
我们先来看看最关键的await()方法是如何实现的，为了防止一会绕晕，在开始之前，我们先明确此方法的目标：
只有已经持有锁的线程才可以使用此方法
当调用此方法后，会直接释放锁，无论加了多少次锁
只有其他线程调用signal()或是被中断时才会唤醒等待中的线程
被唤醒后，需要等待其他线程释放锁，拿到锁之后才可以继续执行，并且会恢复到之前的状态（await之前加了几层锁唤醒后依然是几层锁）
好了，差不多可以上源码了：
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException(); //如果在调用await之前就被添加了中断标记，那么会直接抛出中断异常
Node node = addConditionWaiter(); //为当前线程创建一个新的节点，并将其加入到条件队列中
int savedState = fullyRelease(node); //完全释放当前线程持有的锁，并且保存一下state值，因为唤醒之后还得恢复
int interruptMode = 0; //用于保存中断状态
while (!isOnSyncQueue(node)) { //循环判断是否位于同步队列中，如果等待状态下的线程被其他线程唤醒，那么会正常进入到AQS的等待队列中（之后我们会讲）
LockSupport.park(this); //如果依然处于等待状态，那么继续挂起
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) //看看等待的时候是不是被中断了
break;
}
//出了循环之后，那线程肯定是已经醒了，这时就差拿到锁就可以恢复运行了
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) //直接开始acquireQueued尝试拿锁（之前已经讲过了）从这里开始基本就和一个线程去抢锁是一样的了
interruptMode = REINTERRUPT;
//已经拿到锁了，基本可以开始继续运行了，这里再进行一下后期清理工作
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters(); //将等待队列中，不是Node.CONDITION状态的节点移除
if (interruptMode != 0) //依然是响应中断
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
//OK，接着该干嘛干嘛
}
实际上await()方法比较中规中矩，大部分操作也在我们的意料之中，那么我们接着来看signal()方法是如何实现的，同样的，为了防止各位绕晕，先明确signal的目标：
只有持有锁的线程才能唤醒锁所属的Condition等待的线程
优先唤醒条件队列中的第一个，如果唤醒过程中出现问题，接着找往下找，直到找到一个可以唤醒的
唤醒操作本质上是将条件队列中的结点直接丢进AQS等待队列中，让其参与到锁的竞争中
拿到锁之后，线程才能恢复运行
好了，上源码：
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively()) //先看看当前线程是不是持有锁的状态
throw new IllegalMonitorStateException(); //不是？那你不配唤醒别人
Node first = firstWaiter; //获取条件队列的第一个结点
if (first != null) //如果队列不为空，获取到了，那么就可以开始唤醒操作
doSignal(first);
}
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) //如果当前节点在本轮循环没有后继节点了，条件队列就为空了
lastWaiter = null; //所以这里相当于是直接清空
first.nextWaiter = null; //将给定节点的下一个结点设置为null，因为当前结点马上就会离开条件队列了
} while (!transferForSignal(first) && //接着往下看
(first = firstWaiter) != null); //能走到这里只能说明给定节点被设定为了取消状态，那就继续看下一个结点
}
final boolean transferForSignal(Node node) {
/*
* 如果这里CAS失败，那有可能此节点被设定为了取消状态
*/
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
//CAS成功之后，结点的等待状态就变成了默认值0，接着通过enq方法直接将节点丢进AQS的等待队列中，相当于唤醒并且可以等待获取锁了
//这里enq方法返回的是加入之后等待队列队尾的前驱节点，就是原来的tail
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus; //保存前驱结点的等待状态
//如果上一个节点的状态为取消, 或者尝试设置上一个节点的状态为SIGNAL失败（可能是在ws>0判断完之后马上变成了取消状态，导致CAS失败）
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread); //直接唤醒线程
return true;
}
其实最让人不理解的就是倒数第二行，明明上面都正常进入到AQS等待队列了，应该是可以开始走正常流程了，那么这里为什么还要提前来一次unpark呢？
这里其实是为了进行优化而编写，直接unpark会有两种情况：
● 如果插入结点前，AQS等待队列的队尾节点就已经被取消，则满足wc > 0
● 如果插入node后，AQS内部等待队列的队尾节点已经稳定，满足tail.waitStatus == 0，但在执行ws >0之后!compareAndSetWaitStatus(p, ws,Node.SIGNAL)之前被取消，则CAS也会失败，满足compareAndSetWaitStatus(p, ws,Node.SIGNAL) == false
如果这里被提前unpark，那么在await()方法中将可以被直接唤醒，并跳出while循环，直接开始争抢锁，因为前一个等待结点是被取消的状态，没有必要再等它了。
所以，大致流程下：
只要把整个流程理清楚，还是很好理解的。
自行实现锁类
既然前面了解了那么多AQS的功能，那么我就仿照着这些锁类来实现一个简单的锁：
要求：同一时间只能有一个线程持有锁，不要求可重入（反复加锁无视即可）
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
}
/**
* 自行实现一个最普通的独占锁
* 要求：同一时间只能有一个线程持有锁，不要求可重入
*/
private static class MyLock implements Lock {
/**
* 设计思路：
* 1. 锁被占用，那么exclusiveOwnerThread应该被记录，并且state = 1
* 2. 锁没有被占用，那么exclusiveOwnerThread为null，并且state = 0
*/
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
if(isHeldExclusively()) return true; //无需可重入功能，如果是当前线程直接返回true
if(compareAndSetState(0, arg)){ //CAS操作进行状态替换
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); //成功后设置当前的所有者线程
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
if(getState() == 0)
throw new IllegalMonitorStateException(); //没加锁情况下是不能直接解锁的
if(isHeldExclusively()){ //只有持有锁的线程才能解锁
setExclusiveOwnerThread(null); //设置所有者线程为null
setState(0); //状态变为0
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
protected Condition newCondition(){
return new ConditionObject(); //直接用现成的
}
}
private final Sync sync = new Sync();
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
}
到这里，我们对应队列同步器AQS的讲解就先到此为止了，当然，AQS的全部机制并非仅仅只有我们讲解的内容，大家可以自行探索
