jdk的JUC包(java.util.concurrent)提供大量Java并发工具提供使用，基本由Doug Lea编写，很多地方值得学习和借鉴，是进阶升级必经之路

本文从JUC包中常用的对象锁、并发工具的使用和功能特性入手，带着问题，由浅到深，一步步剖析并发底层AQS抽象类具体实现

# 名词解释
## 1 AQS
AQS是一个抽象类，类全路径java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器，是基于模板模式开发的并发工具抽象类，有如下并发类基于AQS实现：


## 2 CAS
CAS是Conmpare And Swap(比较和交换)的缩写，是一个原子操作指令

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址addr，预期旧的值oldVal，要修改的新值newVal
更新一个变量的时候，只有当变量的预期值oldVal和内存地址addr当中的实际值相同时，才会将内存地址addr对应的值修改为newVal

基于乐观锁的思路，通过CAS再不断尝试和比较，可以对变量值线程安全地更新

## 3 线程中断
线程中断是一种线程协作机制，用于协作其他线程中断任务的执行

当线程处于阻塞等待状态，例如调用了wait()、join()、sleep()方法之后，调用线程的interrupt()方法之后，线程会马上退出阻塞并收到InterruptedException；

当线程处于运行状态，调用线程的interrupt()方法之后，线程并不会马上中断执行，需要在线程的具体任务执行逻辑中通过调用isInterrupted() 方法检测线程中断标志位，然后主动响应中断，通常是抛出InterruptedException

# 对象锁特性
下面先介绍对象锁、并发工具有哪些基本特性，后面再逐步展开这些特性如何实现
## 1 显式获取
以ReentrantLock锁为例，主要支持以下4种方式显式获取锁
* **(1) 阻塞等待获取**
“`
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 一直阻塞等待，直到获取成功
lock.lock();
“`

* **(2) 无阻塞尝试获取**
“`
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 尝试获取锁，如果锁已被其他线程占用，则不阻塞等待直接返回false
// 返回true – 锁是空闲的且被本线程获取，或者已经被本线程持有
// 返回false – 获取锁失败
boolean isGetLock = lock.tryLock();
“`
* **(3) 指定时间内阻塞等待获取**
“`
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {
// 尝试在指定时间内获取锁
// 返回true – 锁是空闲的且被本线程获取，或者已经被本线程持有
// 返回false – 指定时间内未获取到锁
lock.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
} catch (InterruptedException e) {
// 内部调用isInterrupted() 方法检测线程中断标志位，主动响应中断
e.printStackTrace();
}
“`

* **(4) 响应中断获取**
“`
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {
// 响应中断获取锁
// 如果调用线程的thread.interrupt()方法设置线程中断，线程退出阻塞等待并抛出中断异常
lock.lockInterruptibly();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
“`

## 2 显式释放

“`
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
// … 各种业务操作
// 显式释放锁
lock.unlock();
“`

## 3 可重入
已经获取到锁的线程，再次请求该锁可以直接获得

## 4 可共享
指同一个资源允许多个线程共享，例如读写锁的读锁允许多个线程共享，共享锁可以让多个线程并发安全地访问数据，提高程序执效率

## 5 公平、非公平
公平锁：多个线程采用先到先得的公平方式竞争锁。每次加锁前都会检查等待队列里面有没有线程排队，没有才会尝试获取锁。
非公平锁：当一个线程采用非公平的方式获取锁时，该线程会首先去尝试获取锁而不是等待。如果没有获取成功，才会进入等待队列

因为非公平锁方式可以使后来的线程有一定几率直接获取锁，减少了线程挂起等待的几率，性能优于公平锁

# AQS实现原理
## 1 基本概念
### (1) Condition接口
类似Object的wait()、wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()的方法结合synchronized内置锁可以实现可以实现等待/通知模式，实现Lock接口的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等对象锁也有类似功能：

Condition接口定义了await()、awaitNanos(long)、signal()、signalAll()等方法，配合对象锁实例实现等待/通知功能，原理是基于AQS内部类ConditionObject实现Condition接口，线程await后阻塞并进入CLH队列(下面提到)，等待其他线程调用signal方法后被唤醒

### (2) CLH队列
CLH队列，CLH是算法提出者Craig, Landin, Hagersten的名字简称

AQS内部维护着一个双向FIFO的CLH队列，AQS依赖它来管理等待中的线程，如果线程获取同步竞争资源失败时，会将线程阻塞，并加入到CLH同步队列；当竞争资源空闲时，基于CLH队列阻塞线程并分配资源

CLH的head节点保存当前占用资源的线程，或者是没有线程信息，其他节点保存排队线程信息


CLH中每一个节点的状态(waitStatus)取值如下：
* **CANCELLED(1)**：表示当前节点已取消调度。当timeout或被中断（响应中断的情况下），会触发变更为此状态，进入该状态后的节点将不会再变化
* **SIGNAL(-1)**：表示后继节点在等待当前节点唤醒。后继节点入队后进入休眠状态之前，会将前驱节点的状态更新为SIGNAL
* **CONDITION(-2)**：表示节点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的节点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁
* **PROPAGATE(-3)**：共享模式下，前驱节点不仅会唤醒其后继节点，同时也可能会唤醒后继的后继节点
* **0**：新节点入队时的默认状态

### (3) 资源共享方式
AQS定义两种资源共享方式：
Exclusive 独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share 共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch

### (4) 阻塞/唤醒线程的方式
AQS 基于sun.misc.Unsafe类提供的park方法阻塞线程，unpark方法唤醒线程，被park方法阻塞的线程能响应interrupt()中断请求退出阻塞

## 2 基本设计

核心设计思路：AQS提供一个框架，用于实现依赖于CLH队列的阻塞锁和相关的并发同步器。**子类通过实现判定是否能获取/释放资源的protect方法，AQS基于这些protect方法实现对线程的排队、唤醒的线程调度策略**

AQS还提供一个支持线程安全原子更新的int类型变量作为同步状态值(state)，子类可以根据实际需求，灵活定义该变量代表的意义进行更新

通过子类重新定义的系列protect方法如下：
* boolean tryAcquire(int) 独占方式尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false
* boolean tryRelease(int) 独占方式尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false
* int tryAcquireShared(int) 共享方式尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源
* boolean tryReleaseShared(int) 共享方式尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待节点返回true，否则返回false

这些方法始终由需要需要调度协作的线程来调用，子类须以非阻塞的方式重新定义这些方法

AQS基于上述tryXXX方法，对外提供下列方法来获取/释放资源：
* void acquire(int) 独占方式获取到资源，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响
* boolean release(int) 独占方式下线程释放资源，先释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源
* void acquireShared(int) 独占方式获取资源
* boolean releaseShared(int) 共享方式释放资源

以独占模式为例：获取/释放资源的核心的实现如下：
“`
Acquire:
while (!tryAcquire(arg)) {
如果线程尚未排队，则将其加入队列；
}

Release:
if (tryRelease(arg))
唤醒CLH中第一个排队线程
“`

到这里，有点绕，下面一张图把上面介绍到的设计思路再重新捋一捋：


# 特性实现
下面介绍基于AQS的对象锁、并发工具的一系列功能特性的实现原理

## 1 显式获取
该特性还是以ReentrantLock锁为例，ReentrantLock是可重入对象锁，线程每次请求获取成功一次锁，同步状态值state加1，释放锁state减1，state为0代表没有任何线程持有锁

ReentrantLock锁支持公平/非公平特性，下面的显式获取特性以公平锁为例

### (1) 阻塞等待获取
基本实现如下：
* 1、ReentrantLock实现AQS的tryAcquire(int)方法，先判断：如果没有任何线程持有锁，或者当前线程已经持有锁，则返回true，否则返回false
* 2、AQS的acquire(int)方法判断当前节点是否为head且基于tryAcquire(int)能否获得资源，如果不能获得，则加入CLH队列排队阻塞等待
* 3、ReentrantLock的lock()方法基于AQS的acquire(int)方法阻塞等待获取锁

ReentrantLock中的tryAcquire(int)方法实现：
“`
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 没有任何线程持有锁
if (c == 0) {
// 通过CLH队列的head判断没有别的线程在比当前更早acquires
// 且基于CAS设置state成功(期望的state旧值为0)
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 设置持有锁的线程为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 持有锁的线程为当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 仅仅在当前线程，单线程，不用基于CAS更新
int nextc = c + acquires;
if (nextc spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);

// 如果线程已经被interrupt()方法设置中断
// 则不再排队，直接退出
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
“`

### (4) 响应中断获取
ReentrantLock响应中断获取锁的方式是：当线程在park方法休眠中响应thead.interrupt()方法中断唤醒时，检查到线程中断标志位为true，主动抛出异常，核心实现在AQS的doAcquireInterruptibly(int)方法中

基本实现与阻塞等待获取类似，只是调用从AQS的acquire(int)方法，改为调用AQS的doAcquireInterruptibly(int)方法
“`
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
// 标记是否成功拿到资源
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
// 拿到前驱节点
final Node p = node.predecessor();

// 如果前驱是head，即本节点是第二个节点，才有资格去尝试获取资源
// 可能是head释放完资源唤醒本节点，也可能被interrupt()
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 成功获取资源
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}

// 需要排队阻塞等待
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 从排队阻塞中唤醒，如果检查到中断标志位为true
parkAndCheckInterrupt())
// 主动响应中断
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
“`

## 2 显式释放
AQS资源共享方式分为独占式和共享式，这里先以ReentrantLock为例介绍独占式资源的显式释放，共享式后面会介绍到

与显式获取有类似之处，ReentrantLock显式释放基本实现如下：
* 1、ReentrantLock实现AQS的tryRelease(int)方法，方法将state变量减1，如果state变成0代表没有任何线程持有锁，返回true，否则返回false
* 2、AQS的release(int)方法基于tryRelease(int)排队是否有任何线程持有资源，如果没有，则唤醒CLH队列中头节点的线程
* 3、被唤醒后的线程继续执行acquireQueued(Node,int)或者doAcquireNanos(int, long)或者doAcquireInterruptibly(int)中for(;;)中的逻辑，继续尝试获取资源

ReentrantLock中tryRelease(int)方法实现如下：
“`
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() – releases;
// 只有持有锁的线程才有资格释放锁
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();

// 标识是否没有任何线程持有锁
boolean free = false;

// 没有任何线程持有锁
// 可重入锁每lock一次都需要对应一次unlock
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
“`

AQS中的release(int)方法实现如下：
“`
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放资源
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 头节点不为空
// 后继节点入队后进入休眠状态之前，会将前驱节点的状态更新为SIGNAL(-1)
// 头节点状态为0，代表没有后继的等待节点
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 唤醒第二个节点
// 头节点是占用资源的线程，第二个节点才是首个等待资源的线程
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
“`

## 3 可重入
可重入的实现比较简单，以ReentrantLock为例，主要是在tryAcquire(int)方法中实现，持有锁的线程是不是当前线程，如果是，更新同步状态值state，并返回true，代表能获取锁

## 2 可共享
可共享资源以ReentrantReadWriteLock为例，跟独占锁ReentrantLock的区别主要在于，获取的时候，多个线程允许共享读锁，当写锁释放时，多个阻塞等待读锁的线程能同时获取到

ReentrantReadWriteLock类中将AQS的state同步状态值定义为，高16位为读锁持有数，低16位为写锁持有锁

ReentrantReadWriteLock中tryAcquireShared(int)、tryReleaseShared(int)实现的逻辑较长，主要涉及读写互斥、可重入判断、读锁对写锁的让步，篇幅所限，这里就不展开了

**获取读锁(ReadLock.lock())主要实现如下**：

* 1、ReentrantReadWriteLock实现AQS的tryAcquireShared(int)方法，判断当前线程能否获得读锁
* 2、AQS的acquireShared(int)先基于tryAcquireShared(int)尝试获取资源，如果获取失败，则加入CLH队列排队阻塞等待
* 3、ReentrantReadWriteLock的ReadLock.lock()方法基于AQS的acquireShared(int)方法阻塞等待获取锁

AQS中共享模式获取资源的具体实现如下：
“`
public final void acquireShared(int arg) {
// tryAcquireShared返回负数代表获取共享资源失败
// 则通过进入等待队列，直到获取到资源为止才返回
if (tryAcquireShared(arg) = 0) {
// 传播给CLH队列上等待该资源的节点
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 需要排队阻塞等待
// 如果在过程中线程中断，不响应中断
// 且继续排队获取资源，设置interrupted变量为true
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

// 资源传播给CLH队列上等待该资源的节点
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
setHead(node);
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus