前言
AQS全称：AbstractQueuedSynchronizer，抽象的队列同步器，和synchronized不同的是，它是使用Java编写实现的一个同步器，开发者可以基于它进行功能的增强和扩展。
AQS堪称J.U.C包的半壁江山，很多并发工具类都是使用AQS来实现的，例如：ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。
使用synchronized实现同步的原理是：每个Java锁对象都有一个对应的Monitor对象(对象监视器)，Monitor对象是由C++实现的。对象监视器维护了一个变量Owner，指向的是当前持有锁的线程，还维护了一个Entry List集合，存放的是竞争锁失败的线程。线程在这个集合里会被挂起休眠，直到Owner线程释放锁，JVM才去Entry List集合中唤醒线程来继续竞争锁，循环往复。
AQS的任务就是使用Java代码的方式，去完成synchronized中由C代码实现的功能。Java开发者不一定熟悉C语言，要读懂synchronized的源码实现并非易事。不过好在JDK提供了AQS，通过阅读AQS的源码也能让你对并发有更深的理解。
AQS的核心思想是：通过一个volatile修饰的int属性state代表同步状态，例如0是无锁状态，1是上锁状态。多线程竞争资源时，通过CAS的方式来修改state，例如从0修改为1，修改成功的线程即为资源竞争成功的线程，将其设为exclusiveOwnerThread，也称【工作线程】，资源竞争失败的线程会被放入一个FIFO的队列中并挂起休眠，当exclusiveOwnerThread线程释放资源后，会从队列中唤醒线程继续工作，循环往复。
逻辑是不是和synchronized底层差不多？对吧。
理论说的差不多了，本篇文章就通过ReentrantLock结合AbstractQueuedSynchronizer，通过阅读源码的方式来看一下AQS到底是如何工作的，顺便膜拜一下Doug Lea大佬。
AQS基础架构
阅读源码前，先来简单了解一下AQS的架构：
架构还是比较简单的，除了实现Serializable接口外，就只继承了AbstractOwnableSynchronizer父类。AbstractOwnableSynchronizer父类中维护了一个exclusiveOwnerThread属性，是用来记录当前同步器资源的独占线程的，没有其他东西。
AQS有一个内部类Node，AQS会将竞争锁失败的线程封装成一个Node节点，Node类有prev和next属性，分别指向前驱节点和后继节点，形成一个双向链表的结构。除此之外，每个Node节点还有一个被volatile修饰的int变量waitStatus，它代表的是节点的等待状态，有如下几种值：
- 0：新建节点的默认值。
- SIGNAL(-1)：表示后继结点在等待当前结点唤醒。
- CONDITION(-2)：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结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，前驱节点会唤醒所有的后继节点。
- CANCELLED(1)：取消竞争资源，锁超时或发生中断才会触发。
可以看到，waitStatus是以0为临界值的，大于0代表节点无效，例如AQS在唤醒队列中的节点时，waitStatus大于0的节点会被跳过。
AQS内部还维护了int类型的state变量，代表同步器的状态。例如，在ReentrantLock中，state就代表锁的重入次数，每lock一次，state就+1，每unlock一次，state就-1，当state等于0时，代表没有上锁。
AQS内部还维护了head和tail属性，用来指向FIFO队列中的头尾节点，被head指向的节点，总是工作线程。线程在获取到锁后，是不会出队的。只有当head释放锁，并将其后继节点唤醒并设为head后，才会出队。
ReentrantLock.lock()做了什么？
示例程序：开启三个线程：A、B、C，按顺序依次调用lock()方法，这期间到底发生了什么？？？
1、刚开始没有任何线程竞争锁，AQS内部结构是这样的：
2、线程A调用lock()方法：
其实是交给sync对象去上锁了，Sync类就是一个继承了AQS的类。
ReentrantLock默认采用的是非公平锁，不管队列中是否有等待线程，上来直接就尝试利用CAS抢锁，如果抢成功了，就将当前线程设为exclusiveOwnerThread并返回。
如果没有成功，则调用acquire(1)去获取锁。
// 非公平锁的lock，上来直接就抢锁，不管队列中有没有线程在等待。
final void lock() {
// CAS的方式将修改state，如果修改成功，表示没有其他线程持有锁，将当前线程设为独占锁的持有者
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
// CAS失败，代表其他线程已经持有锁了，此时去竞争锁
acquire(1);
}
公平锁就显得非常有礼貌，上来先询问队列中是否有线程在等待，如果有，则让它们先获取，自己入队等待。
final void lock() {
acquire(1);
}
// 公平锁-获取锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
/*
即使当前是无锁状态，也要判断队列中是否有线程已经在等待了。
如果有其他线程在等待，要让其他线程先获取锁，自己入队挂起。
如果队列中无线程，则尝试CAS竞争。
*/
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 当前线程就是持有锁的线程，重入即可
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)// 重入次数过多，溢出了
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
不管是公平锁还是非公平锁，线程A此时就可以获取到锁并返回了，此时AQS的内部结构如下：
假设线程A还未释放锁，线程B调用lock()，竞争锁失败，则调用acquire(1)去获取锁，这是AQS的模板方法。
/*
竞争锁的流程:
1.tryAcquire():再次尝试去获取锁。
2.addWaiter():如果还获取不到，在队列的尾巴添加一个Node。
3.acquireQueued():去排队。
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 是否需要进行一次自我中断，来补上线程等待期间发生的中断。
selfInterrupt();
}
在acquire()方法中，首先会调用tryAcquire()去尝试获取锁，如果获取不到，则通过addWaiter()将当前线程封装为一个Node节点入队，再调用acquireQueued()去排队。
这里有一点需要注意，AQS在排队的过程中，是不响应中断的，如果排队期间发生了中断，只能等排队结束后，AQS自动补上一个自我中断:selfInterrupt()。
非公平锁尝试获取锁的流程如下：
// 非公平锁尝试获取锁
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// state==0，代表其他线程已经释放锁了，再次CAS的方式修改state，成功则代表抢到锁，返回。
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 其他线程还没释放锁，判断持有锁的线程是否是当前线程，如果是，则重入，state++。
// 可重入锁，state就代表锁重入的次数，0说明锁释放了。
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // 锁不可能无限重入，重入的次数超过了int最大值后，就会抛异常。
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 其他线程没释放锁，当前线程又不是持有锁的线程，则抢锁失败。
return false;
}
由于线程A没有释放锁，且线程B不是锁的持有线程，因此tryAcquire()会返回false。
尝试获取锁失败，则开始创建Node节点，并入队。addWaiter代码如下：
// 如果尝试获取锁失败，则入队。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 创建一个和当前线程绑定的Node节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {
/*
如果tail不为null，则通过CAS的方式将tail指向当前Node。如果失败，会调用enq()重试。
1.当前节点的prev指向前任tail
2.CAS将tail指向当前节点
3.前任tail的next指向当前节点
这三个步骤不是原子的，如果执行到第2步时间片到期，持有锁的线程释放锁唤醒节点时，
如果从head向tail找，此时前任tail节点的next还是null，会存在漏唤醒问题。
而prev的赋值先于CAS执行，所以在唤醒队列时，从tail向head找就没问题了。
*/
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 如果CAS入队失败，则自旋重试
enq(node);
return node;
}
如果tail不为null，则将当前节点的prev指向现任tail，再通过CAS的方式将tail指向当前节点，最后前任tail的next指向当前节点即可。
这里有一点需要注意：
- 当前节点的prev指向前任tail
- CAS将tail指向当前节点
- 前任tail的next指向当前节点
这三个步骤不是原子的，如果执行到第2步时间片到期，持有锁的线程释放锁唤醒节点时，如果从head向tail找，此时前任tail节点的next还是null，会存在漏唤醒问题。而prev的赋值先于CAS执行，所以在唤醒队列时，从tail向head找就没问题了。
如果CAS入队失败也没关系，下面会调用enq()进行自旋重试，直到成功为止：
// CAS入队失败，自旋重试
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { // 这比while(true)好在哪里？？？
Node t = tail;
if (t == null) {
// tail==null，说明队列是空的，做初始化。
// 新建一个节点，head和tail都指向它。再进循环时，tail就不为null了。
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
/*
队列不为空
1.当前节点的prev指向前任tail
2.CAS将tail指向当前节点
3.前任tail的next指向当前节点
不断重试，直到成功为止
*/
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
如果tail为null，说明队列还没初始化，这时会创建一个Node节点，head和tail都指向这个空节点。再次循环时，由于已经初始化了，进入else逻辑，还是执行那三个步骤。
线程B入队后，此时AQS的内部结构如下：
节点B成功入队后，就是排队的操作了。线程B是继续竞争还是Park挂起呢？
// Node入队后，开始排队
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;// 是否获取锁失败
try {
/*
线程等待的过程中是不响应中断的，如果期间发生中断，
则必须等到线程抢到锁后进行自我中断:selfInterrupt()。
*/
boolean interrupted = false;//获取锁的过程中是否发生中断。
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();// 获取当前节点的前驱节点
/*
如果自己的前驱是head，自己就有资格去抢锁，有两种情况：
1、作为第一个节点入队。
2、head释放锁了，唤醒了当前节点。
*/
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
/*
如果抢锁成功，说明是head释放锁并唤醒了当前节点。
将head指向当前节点，failed = false表示成功获取到锁。
*/
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 竞争锁失败，判断是否需要挂起当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
// 获取不到锁就挂起线程，不断死循环，因此只要不出意外，最终一定能获取到锁。
// 如果没有获取到锁就跳出循环了，说明线程不想竞争了，例如:锁超时。
// 此时需要修改
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
如果当前节点的前驱节点是head，则代表当前节点拥有竞争锁的资格。分两种情况:
- 作为第一个节点入队。
- head释放锁了，唤醒了当前节点。
此时线程B并不是被线程A唤醒了，而是第一种情况，线程B会再次尝试获取锁，但是由于线程A还没释放，因此会失败。
线程B获取锁失败后，会执行shouldParkAfterFailedAcquire()，判断是否应该被Park挂起。
// 线程竞争锁失败是否要挂起
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 如果前驱节点的waitStatus=-1，当前节点就可以安心挂起了。
return true;
if (ws > 0) {
// waitStatus以0为分界点。0是默认值，小于0代表节点为有效状态，大于0代表节点无效，例如：被取消了。
// 如果前驱节点无效，就继续向前找，直到找到有效节点，并将其next指向自己。中间无效的节点会被GC回收。
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// CAS的方式将前驱节点的waitStatus改为-1，代表当前节点在等待被前驱节点唤醒。
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
线程被Park挂起的前提条件是：必须将前驱节点的waitStatus设为SIGNAL(-1)，这样当前驱节点释放锁时，才会唤醒后继节点。
由于此时head节点的waitStatus等于0，不满足条件，所以线程B会尝试使用CAS的方式将其改为SIGNAL，且这一次不会线程B不会被Park。
此时，AQS的内部结构是：
再次循环，由于线程A还没释放锁，线程B在此获取锁失败，再次执行shouldParkAfterFailedAcquire()，此时前驱节点的waitStatus已经是SIGNAL(-1)了，所以线程B可以安心Park了，返回true。
shouldParkAfterFailedAcquire()返回true代表需要将线程B挂起，因此会执行parkAndCheckInterrupt()：
// 挂起当前线程，等待被前驱节点唤醒
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
// 阻塞过程中不响应中断，期间如果发生了中断，则补上自我中断:selfInterrupt()。
return Thread.interrupted();
}
挂起的过程就很简单了，调用了LockSupport.park()方法。前面已经说过，AQS排队的过程是不响应中断的，如果期间发生了中断，只能等待线程被唤醒后，补上自我中断，所以这里会返回线程的一个中断标志。
线程B现在已经被Park挂起了，只能等待线程A的唤醒才能继续运行。
acquireQueued()方法中，有一个finally语句块，它的作用是，如果线程没有获取到锁就退出了循环，说明线程获取锁超时或者发生中断了，那么节点就无效了，需要将它出队，调用cancelAcquire()：
// 节点取消竞争锁
private void cancelAcquire(Node node) {
// 忽略不存在的节点
if (node == null)
return;
node.thread = null;//取消绑定的线程
// 往前找，跳过CANCELLED的节点
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
Node predNext = pred.next;
// 将当前节点设为CANCELLED，这样即使出队失败也没关系，唤醒节点时会跳过CANCELLED的节点
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
/*
如果node是尾巴，就使用CAS将tail指向前驱节点，当前节点直接出队。
出队成功，将tail的next置空。
*/
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
/*
如果前面的操作失败了，有两种情况:
1.当前node原来是尾巴，取消过程中有新节点插入，现已不是尾巴。
2.当前node原来就是中间节点。
当前node是中间节点的话，就需要做两件事:
1.修改前驱节点的waitStatus为SIGNAL，让其释放锁后记得唤醒后继节点。
2.将前驱节点的next指向后继节点，当前node出列。
出列的过程是允许失败的，即使没有出列，只要node的waitStatus设为CANCELLED，
head在唤醒后继节点时也会跳过CANCELLED的节点。
修改前驱节点为SIGNAL的过程也是允许失败的，只要失败了就会唤醒node的后继节点，
让后继节点自己去修改前驱节点为SIGNAL。
*/
int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
/*
修改前驱节点为SIGNAL成功，将前驱节点的next指向当前节点的后继节点，当前节点出列。
*/
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
/*
失败有两种情况:
1.当前节点的prev为head，那老二就有资格去竞争了，唤醒当前节点的后继节点。
2.修改前驱节点为SIGNAL失败，唤醒后继节点，让它自己去修改前驱节点的状态。
*/
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}
节点取消获取锁的情况有两种需要考虑：
- 当前节点是tail。
- 当前节点是中间节点。
第一种情况处理就简单了，直接将tail指向当前节点的prev，然后prev的next置空，当前节点就出队了。
第二种情况就比较复杂，如果当前节点的前驱节点不是head的话，那么就必须将前驱节点的waitStatus设为SIGNAL(-1)，然后将前驱节点的next指向当前节点的next，当前节点的next的prev，指向前驱节点。
如果说当前节点的前驱节点是head，那么就直接唤醒当前节点的后继节点，因为老三变老二了，它有资格去竞争锁了。
如果CAS修改节点的指向失败了，也没关系，唤醒当前节点的后继节点，让它自己去修改前驱节点的waitStatus，当前节点可以安心出队。
很显然，线程B是不会触发cancelAcquire()方法的。
假设，此时线程A依然没有unlock，此时线程C也要来获取锁。显然线程C会竞争失败，AQS会将其封装为Node节点入队，并将线程B的Node节点的waitStatus改为SIGNAL(-1)，然后Park休眠。
此时，AQS的内部结构是：
ReentrantLock.unlock()做了什么？
线程B、C成功入队并Park后，假设此时线程A执行unlock释放锁：
释放锁的过程，其实是调用了sync的release()，这也是AQS的模板方法：
// 释放锁
public final boolean release(int arg) {
/*
调用子类的tryRelease()，返回true代表成功释放锁。
对于ReentrantLock来说，state减少至0代表需要释放锁。
*/
if (tryRelease(arg)) {
/*
head就代表持有锁的节点。
如果head的waitStatus!=0，说明有后继节点在等待被其唤醒。
还记得线程入队时，如果要挂起，必须将其前驱节点的waitStatus改为-1吗？？？
如果节点入队不改前驱节点的waitStatus，它将无法被唤醒。
*/
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 释放锁后要去唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
AQS会调用子类实现的tryRelease()，当它返回true就代表成功释放了资源，AQS就会去唤醒队列中的节点。
/*
尝试释放锁，返回true代表锁成功释放。
只有持有锁的线程才能释放锁，因此不存在并发问题。
*/
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
// 不是持有锁的线程执行释放锁，抛异常。
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
// 当state==0才需要真正的释放锁
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
ReentrantLock是可重入锁，state代表锁的重入次数，tryRelease()就是state自减的过程。当state减至0就代表锁成功释放了，同时会将exclusiveOwnerThread置空。
必须是持有锁的线程才能调用tryRelease()，否则会抛异常。
线程A执行完tryRelease()后，此时AQS的内部结构是：
tryRelease()返回true，AQS就要去唤醒队列中的节点了，执行unparkSuccessor()：
// 唤醒后继节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 将waitStatus置为0
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
如果后继节点的waitStatus>0，代表节点是CANCELLED的无效节点，会跳过。
然后从尾巴开始向头找，直到找到waitStatus <= 0的有效节点，并将其唤醒。
为什么要从尾巴找？
是因为节点入队时，需要执行三个操作:
1.当前节点的prev指向前任tail
2.CAS将tail指向当前节点
3.前任tail的next指向当前节点
如果执行到步骤2时，时间片到期，此时前驱节点的next还是null，会存在漏唤醒的问题。
而prev的赋值操作先于CAS执行，因此通过prev向前找总能找到。
*/
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;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
这里有一个很有意思的操作，当next节点无效时，AQS会跳过它，重新寻找有效的节点。AQS会从tail开始向head找，而不是从head向tail找，这是为什么呢？？？
从尾部向头部找，是因为节点入队时，需要执行三个操作：1.当前节点的prev指向前任tail、2.CAS将tail指向当前节点、3.前任tail的next指向当前节点。如果执行到步骤2时，时间片到期，此时前驱节点的next还是null，会存在漏唤醒的问题。而prev的赋值操作先于CAS执行，因此通过prev向前找总能找到。
当节点被唤醒时，会从AQS的parkAndCheckInterrupt()方法里继续执行，重新获取锁。
线程A释放锁，并将线程B唤醒，线程B会继续去竞争。
此时线程B会竞争成功，同时会将head指向当前节点。
此时AQS内部结构是：
线程B运行一段时间后，也释放锁了，接着会唤醒线程C。
线程C会成功获取到锁：
线程C释放锁后，最后一个Node节点并不会出列，而是会保留。当下一次有线程来竞争锁时，成功后会自动将前任head覆盖。
问题
最后再总结一下关于AQS几个比较重要的问题。
1.工作线程什么时候出队?
当FIFO队列中的一个节点竞争到资源时，它并不是就马上出队了，而是将head指向自己。节点释放锁后依然不会主动出队，而是等待下一个节点竞争锁成功后修改head的指向，将前任head踢出去。
2.AQS唤醒队列的规则是什么？
当head指向的节点成功释放资源后，首先会判断当前节点的waitStatus是否等于0，如果等于0就不会去唤醒后继节点了，这也就是为什么新的节点入队休眠的前提是必须将前驱节点的waitStatus改为SIGNAL(-1)的原因，如果不改，后继节点将不会被唤醒，就会导致死锁。
AQS首先会唤醒当前节点的直接后继节点next，如果next为null，有两种情况:
- 确实没有后继节点了，之前next指向的节点可能由于超时等原因退出竞争了。
- 存在后继节点，只是由于多线程的原因，后继节点还没来得及将当前节点的
next指向它。
第一种情况好办，后继节点为null，不唤醒就是了。
第二种情况就需要从tail向head寻找了，找到了有效节点再唤醒。
如果存在直接后继节点，但是节点的waitStatus大于0，AQS也是会选择跳过它的。前面已经说过，waitStatus大于0的节点代表无效节点，如CANCELLED(1)是已经取消竞争的节点。如果直接后继节点是无效节点的话，AQS会从tail开始向head遍历，直到找到有效节点，再将其唤醒。
总结：存在直接后继节点且节点有效，则优先唤醒后继节点。否则，从tail向head遍历，直到找到有效节点再唤醒。
3.唤醒节点为什么要从尾巴开始？
这是因为，新节点入队时，需要执行三个步骤：
- 当前节点的prev指向前任tail
- CAS将tail指向当前节点
- 前任tail的next指向当前节点
这三个操作AQS并没有做同步处理，如果在执行步骤2后CPU时间片到期了，此时的节点指向是这样的：
前驱节点的next还没有赋值，如果从头向尾找，就可能会存在漏唤醒的问题。
而prev的赋值先于tail的CAS操作之前执行，因此从尾向头找，就可以避免这个问题。
4.其他问题
占个坑，问题可以持续更新，想到了再更。有疑惑的同学可以评论告诉我，我会把我知道的记录下来，大家一起再探讨一下。
尾巴
到现在还很印象深刻，年初的时候有一次面试，就被问到AQS，当时没有静下心来研究，有些概念还是很模糊，答得不是很好，面试官也不太满意。
恰好上周加班，今天调休，可以写篇文章放松一下。于是我决定挑战一下我的软肋AQS，静下心来阅读源码才发现，过去看网上的博客，一直比较模糊的概念，其实代码里已经写的非常清楚了。
过去读不懂的源码，往后慢慢都会读懂！！！
随时随地看视频
