难以理解的AQS（上）
在一篇博客中，我们看了下CopyOnWriteArrayList的源码，不是很难，里面用到了一个可重入的排他锁： ReentrantLock，这东西看上去和Synchronized差不多，但是和Synchronized是完全不同的东西。
Synchronized锁的特性是JVM保证的，ReentrantLock锁的特性是上层的Java代码控制的。而ReentrantLock的基础就是AQS，事实上，很多并发容器都用了ReentrantLock，也就间接的用到了AQS，还有并发框架，如CountDownLatch，CyclicBarrier，Semaphore也都用到了AQS，可见AQS的重要性。
但是要想稍微深入一点理解AQS实属不易，牵扯到不少东西，所以本篇博客将会拆分成两篇，第一篇将会介绍AQS的前置知识：LockSupport，AQS的核心概念，以及独占、共享模式下，AQS的核心源码解析等，第二篇将会介绍AQS对条件变量的支持，以及AQS的应用等。
要深入一些学习AQS，首先要掌握一个前置知识：LockSupport。
LockSupport
LockSupport是一个工具类，它的主要作用是挂起和唤醒线程，它的底层是调用的native方法，这个我们不去深入探究，主要看下LockSupport的应用。
park，unpark
如果调用park方法的线程已经拿到了与LockSupport关联的许可证，调用park后，会立即返回，否则该线程会被阻塞，直到拿到了许可证。
如果一个线程调用了unpark方法，就会获得与LockSupport关联的许可证，如果该线程之前调用了park而被阻塞，那么会被唤醒，如果该线程之前没有调用park方法，那么调用park方法后，会立刻返回。
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello，LockSupport");
LockSupport.park();
System.out.println("Bye，LockSupport");
}
运行结果：
线程打印出第一句话，就被阻塞了，因为线程没有获得与LockSupport关联的许可证。
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello，LockSupport");
LockSupport.unpark(Thread.currentThread());
LockSupport.park();
System.out.println("Bye，LockSupport");
}
运行结果：
先调用unpark方法，传入了当前线程，当前线程获得了与LockSupport关联的许可证，随后调用park方法，因为该线程已经有了许可证，所以立即返回，打印出了第二句话。
public static void main(String[] args) {
Thread thread=new Thread(()->{
System.out.println("Hello，LockSupport");
LockSupport.park();
System.out.println("Bye，LockSupport");
});
thread.start();
LockSupport.unpark(thread);
}
运行结果：
首先创建了一个Thread ，内部调用了park方法，随之启动线程，在主线程中，调用了unpark方法，传入了子线程。
此方法有两种情况：
- 主线程先调用了unpark方法，子线程中的park方法随后调用。
- 子线程的park方法先调用，主线程的unpark方法随后调用。
但是不管是哪种情况，最后的结果都是一样的。只是过程有些区别，第一种情况是
主线程调用了unpark方法后，让子线程拿到了许可证，子线程内部调用park后立即返回，第二种情况是子线程的park方法先调用到，因为目前还没有拿到许可证，所以被阻塞，随后主线程调用了unpark，让子线程拿到了许可证，子线程被返回。
parkNanos(long nanos)
和park方法类似，不同之处在于多了个超时时间，如果调用parkNanos，线程被阻塞了，超过了nanos后，不管有没有获得许可，都会被返回。
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello，LockSupport");
LockSupport.parkNanos(Integer.MAX_VALUE);
System.out.println("Bye，LockSupport");
}
运行结果：
为了可以看到比较明显的效果，所以我把时间设置成了Integer.MAX_VALUE，可以看到虽然没有调用unpark方法拿到许可证，但是一定的时间后，该方法还是被返回了。
park(Object blocker)
此方法是比较推荐使用的，因为使用它，可以通过jstack命令查看有关阻塞对象的信息。
public class Main {
public void test() {
LockSupport.park(this);
}
public static void main(String[] args) {
Main main = new Main();
main.test();
}
}
使用jstack pid命令：
还有几个方法，就不一一介绍了。
有了上面的基础，我们终于可以进入今天的正题了：AQS。
什么是AQS
AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer，翻译是中文是抽象同步队列。刚接触AQS的时候，第一感觉这个东西和抽象有关系，因为Abstract。。。后来发现，这个东西和抽象没有半毛钱关系，慢慢的，又有新的理解，这个东西和抽象还真的有点关系，因为它把实现同步队列的一些方法给抽象出来了，供其他上层组件重写或者复用。重点来了，其他上层组件需要重写其中的方法！再说的详细点，就是其他组件需要继承AbstractQueuedSynchronizer，对其中的部分方法进行重写。
我们先来看下AQS的UML图：
AQS核心概念
我们先要对AQS进行一个大概的介绍，了解下AQS中比较核心的东西。
AQS维护了一个FIFO的双向队列，什么是FIFO？就是先进先出的意思，双向队列就是上一个节点指向下一个节点的同时，下一个节点也指向上一个节点，我们从AbstractQueuedSynchronizer关联的Node类中就可以看出来这一点：prev保存的是当前节点上一个node，next保存的是当前节点的下一个节点，有一个专业的名词，分别是前驱节点，后继节点，同时AbstractQueuedSynchronizer类有两个字段，一个是head，一个是tail，顾名思义，head保存了头节点，tail保存了尾节点。
Node类中的SHARED是用来标记该线程是获取共享资源时被放入等待队列的，EXCLUSIVE用来标记该线程是获取独占资源时被放入等待队列的，从这句话，我们可以看出Node类其实就是保存了放入等待队列的线程，而有的线程是因为获取共享资源失败放入等待队列的，而有的线程是因为获取独占资源失败而被放入等待队列的，所以这里需要有一个标记去区分。
再啰嗦一句，FIFO双向队列其实就是AQS中的等待队列。
在Node类中，还有一个字段：waitStatus，它有五个取值，分别是：
- SIGNAL：值为-1，当前节点在入队后、进入休眠状态前，应确保将其prev节点类型改为SIGNAL，以便后者取消或释放时将当前节点唤醒。
- CANCELLED：值为1，被取消的，在等待队列中等待的线程超时或被中断，进入该状态的节点的将不再变化。
- CONDITION：值为-2，该节点处于条件队列中，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，节点转移到AQS的等待队列中，特别要注意的是，条件队列和AQS的等待队列并不是一回事。
- PROPAGATE：值为-3。对于这个状态到底是做什么的，网上大多数博客，包括书籍都是简单提了下这是共享模式下专用的，和传播有关，但是没有更深的解释。无奈，菜的抠脚的我至今也没能领悟这个状态值的含义。
- 0：默认值。
在AbstractQueuedSynchronizer类中，有一个state字段，被标记为volatile，是为了保证可见性，这个字段的设计可厉害了。对于ReentrantLock来说，state保存的是重入次数，对于ReentrantReadWriteLock来说，state保存的是获取读锁的重入次数和写锁的重入次数。
AbstractQueuedSynchronizer类中，还有一个内部类：ConditionObject，用来提供条件变量的支持。
AQS提供了两种方式来获取资源，一种是独占模式，一种是共享模式。
上面提到过，需要去定义一个类去继承AbstractQueuedSynchronizer类，重写其中的方法，一般来说
- 对于独占模式，需要重写tryAcquire(arg) ，tryRelease(int arg)方法。
- 对于共享模式，需要重写tryAcquireShared(arg) ，tryReleaseShared(int arg)方法。
源码解析
独占模式
acquire
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
此方法是独占模式下获取资源的顶级方法，如果线程调用tryAcquire(arg)方法成功了，说明已经获取到了资源，直接返回，如果不成功，则将当前线程封装成waitStaus为Node.EXCLUSIVE的Node插入到AQS等待队列的尾部。
我们来看下tryAcquire方法：
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
纳尼，直接报错了，这是什么鬼？别忘了，我们需要重写这个方法。
我们再来看下addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)方法：
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//封装成Node，新的Node
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;//把尾节点赋值给pred ，pred也就是尾节点了
if (pred != null) {//如果pred不为NULL
node.prev = pred;//pred赋值给新节点的前驱节点，也就是新节点的前驱节点是尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {//CAS，如果pred还是尾节点，则把新节点设置成尾节点，设置成功后，进入if
pred.next = node;//把新节点赋值给pred的后继节点
return node;//返回新节点
}
}
enq(node);
return node;
}
此方法先把线程封装成一个(Node.EXCLUSIVE的Node，先尝试把这个Node直接放入队尾，如果成功的话，直接返回，如果失败的话，调用enq(node)进行入队操作：
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {//自旋
Node t = tail;//把尾节点赋值给t
//如果尾节点为空，则新建一个空的Node，用CAS把空的Node设置成头节点
//成功后，再把尾部节点也指向空的Node
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;//把尾节点赋值给传进来的node的前驱节点
if (compareAndSetTail(t, node)) {//CAS，如果t还是尾部节点，则用传进来的node替换旧的尾部节点
t.next = node;//设置t的后继节点为传进来的node
return t;
}
}
}
}
这个方法概括的来说，就是把获取资源失败的node放入AQS等待队列。
我们再回到顶级方法看下acquireQueued方法：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//拿到node的前驱节点，赋值给p
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果p已经是头节点了，代表这个时候
//node是第二个节点，再次调用tryAcquire获取资源
setHead(node);//设置头节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//判断此node是否可以被park
parkAndCheckInterrupt())//park
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
又是CAS自旋，首先拿到node的前驱节点，赋值给p，如果p已经是头节点了，代表这个时候node是第二个节点，再次尝试调用tryAcquire获取资源，如果成功，设置头节点为node，返回中断标记位，如果失败，先判断自己是否可以被park，如果可以的话，就park，等待unpark。
再来看下parkAndCheckInterrupt方法：
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱节点的waitStatus，赋值给ws
if (ws == Node.SIGNAL)//如果是SIGNAL
return true;
if (ws > 0) {//如果是ws>0，则说明前驱节点被取消了，通过while循环，
//找到最近的一个没有取消的节点，排到后面
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);//CAS设置前驱节点的waitStatus为SIGNAL
}
return false;
}
如果前驱节点的waitStatus为SIGNAL，直接返回，如果前驱节点被取消了，则通过while循环，找到最近的一个没有被取消的节点，排到后面去，如果前驱节点处于其他状态，则通过CAS把前驱节点的waitStatus设置为SIGNAL。
再来看下parkAndCheckInterrupt方法：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
这方法就比较简单了，就是park自己，返回当前线程是否被中断。
我们来为acquireQueued方法做一个总结：
找到一个安全点park自己，如果被唤醒了，检查自己是否是第二个节点，如果是的话，再次尝试获取资源，成功的话，就把自己设置为头节点。
好了，整个顶级的acquire核心内容已经分析完毕了，我们来做一个总结：
- 尝试快速获取资源，如果成功，直接返回，失败，进入下一步。
- 进行入队操作。
- 在等待队列中的线程获取资源。
最后，画个流程图帮助理解整个流程：
release
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
此方法是独占模式下释放资源的顶级方法。
首先调用tryRelease方法，如果成功了，把头节点赋值给h，如果h不为null并且waitStatus 不等于0，调用unparkSuccessor方法，唤醒下一个node。
tryRelease：
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
此方法还是直接报错，因为我们需要重写。这里我们需要尤其注意，此方法是判断资源是否被完全释放了，如果锁是可以重入的，可能多次获得了锁，所以必须把最后一个锁也释放了，这里才能返回ture，否则返回false。
unparkSuccessor：
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;//拿到当前节点的waitStatus，赋值给ws
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;//当前节点的下一个节点赋值给s
if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果s==null或者已经被取消了，就通过for循环找到下一个需要被唤醒的节点
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}
此方法的核心就是唤醒下一个需要被唤醒的节点。
共享模式
acquireShared
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
该方法是共享模式下获取资源的顶级方法。
首先调用tryAcquireShared，来尝试获取资源，失败的话，则调用doAcquireShared，进入等待队列，直到获取了资源。
tryAcquireShared：
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
我们需要重写tryAcquireShared方法。
doAcquireShared：
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//入队
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//拿到当前节点的前驱节点，赋值给p
if (p == head) {//如果p是头节点
int r = tryAcquireShared(arg);//调用tryAcquireShared尝试获取资源
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);//设置头节点，如果还有剩余资源，唤醒下一个节点
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
此方法和独占模式下的流程区别不大，最大的不同在于setHeadAndPropagate方法，我们来看看这个方法做了什么：
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
setHead(node);//设置头节点
//如果还有剩余资源
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;//找到后继节点
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();//调用doReleaseShared方法
}
}
首先设置当前节点为头节点，如果还有剩余的资源，就找到后继节点，调用doReleaseShared方法，这个方法我们后面再看，但是从方法名称来看，我们可以知道它与释放共享资源有关。
releaseShared
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
此方法是共享模式下释放资源的顶级方法。
tryReleaseShared方法还是需要我们去重写的，如果成功了，调用doReleaseShared方法：
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;//把头节点赋值给h
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;//拿到h的waitStatus赋值给ws
if (ws == Node.SIGNAL) {//如果为SIGNAL
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
unparkSuccessor(h);//唤醒后继节点
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
if (h == head)
break;
}
}
这个方法在共享模式下获取共享资源的顶级方法acquireShared中的doAcquireShared中的setHeadAndPropagate也会调用。
好了，独占模式，共享模式下的获取资源，释放资源核心流程已经分析完毕了。
细心的你，一定发现在AQS中还有acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()这两个方法，这两个方法从名称上来看仅仅是多了一个Interruptibly，它们是会对中断进行响应的，而我们上面介绍的acquire，acquireShared是忽略中断的。
本篇博客到这里就结束了，但是还有一块东西没有讲到：对条件变量的支持，这部分内容将放到下一篇博客再详细介绍。
