java并發包下很多API都是基于AQS來實現的加鎖和釋放鎖等功能的，比如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock底層都是基于AQS來實現的。AQS是java并發包的基礎類，今天這一節主要是梳理AQS的重要概念和原理細節。

ReentrantLock核心組件

ReentrantLock核心有3個組件：state、owner、AQS（抽象隊列同步器，簡單的說就是一個等待隊列Queue）。如下圖所示：

AQS源碼組件圖

ReentrantLock內部包含了一個三個靜態內部類，Sync，FairSync和NonfairSync，其中FairSync和NonfairSync都是繼承自AQS。

ReenterantLock內部對象和繼承類

AQS中的維護了一個state變量，通過volatile修飾的int類型的，代表了加鎖的狀態。初始狀態下，這個state的值是0。

private volatile int state;

AQS中維護了head、tail以及Node內部類等，這里構成了一個FIFO（先進先出）的線程等待隊列。

private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

static final class Node {
        //節點狀態
        static final Node SHARED = new Node();
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;

        volatile Node prev;
        volatile Node next;
        //節點持有的線程
        volatile Thread thread;
        //....省略其他...
    }

同時AQS又繼承了AbstractOwnableSynchronizer類，因此又維護了一個owner變量，用來記錄當前加鎖的是哪個線程，初始化狀態下，這個變量是null。

private transient Thread exclusiveOwnerThread

AQS加鎖和釋放原理

1、加鎖流程

假設有兩個線程同時過來申請鎖資源，線程1先獲得鎖，線程2需要等待的話，主要的流程如下：

• 兩個線程同時調用 lock 方法，線程1通過CAS(0,1)操作將state值從0變為1，成功加鎖。
• 線程1通過CAS(0,1)成功后，設置當前加鎖線程為自己
• 線程2此時也進行CAS(0,1)，此時state已經為1調用肯定會失敗
• 于是再查看加鎖線程是否為自己，如果不是則放入等待隊列
• 線程2此時調用LockSupport.park()掛起當前線程。

加鎖流程

2.釋放流程

• 線程1執行任務成功調用 unlock 方法，state變量的值遞減1，如果state值為0，加鎖線程設置為null，徹底釋放鎖。
• 此時進入等待隊列的隊頭，調用LockSupport.unpark()喚醒線程2重新嘗試加鎖
• 線程2CAS操作將state從0變為1成功之后代表加鎖成功，將state設置為1。
• 把“加鎖線程”設置為線程2自己，同時線程2自己就從等待隊列中出隊了。

釋放鎖流程

公平與非公平，可重入與獨占

1.ReentrantLock是如何實現非公平和公平的？

ReentrantLock通過兩個Sync的子類——FairSync和NonfairSync，默認是非公平鎖的實現，先來看非公平的源碼：

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
}

再看公平鎖的源碼，和上面相比僅僅是一個if邏輯的區別。非公平的鎖NonfairSync會多了一個判斷，先嘗試來加個鎖。

static final class FairSync extends Sync {
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
}

非公平的這個if操作可以理解為如果線程1釋放了，別人過來加鎖，直接先嘗試插個隊的意思，有可能AQS隊列中的線程2還沒被喚醒了，被別人搶走了鎖，讓別的線程加鎖成功了。可以概況為一句話講，由于非公平鎖，加鎖前多了一個嘗試獲取鎖的操作,導致了可能會有線程插隊。

另外在公平鎖的嘗試加鎖過程中，還多了一個 hasQueuedPredecessors()的判斷，這里限制了如果有人排隊，其他線程就不能插隊加鎖。所以就算線程1釋放鎖，線程3過來加鎖，由于lock方法沒有了非公平鎖的if（上來嘗試CAS修改state，加鎖的代碼），線程3就只能入隊。

公平鎖

這里可以看到公平鎖比非公平鎖的代碼多了一個判斷，判斷隊列中是否有等待線程。有的話也只能乖乖排隊。

總結來看，公平鎖主要體現在兩點上：

• 第一處是在lock方法加鎖時，沒有嘗試CAS加鎖修改state的if判斷，保證釋放鎖的時候不會有線程插隊加鎖。（非公平鎖中，入隊過程可能還會嘗試加鎖，也有可能造成插隊加鎖，大家可以自己屢一下代碼看看）
• 第二處是如果已經有人加鎖，在入隊過程中，也通過一個hasQueuedPredecessors判斷保證了按順序入隊，在入隊的過程中不會再次嘗試加鎖。

2.可重入鎖和不可重入鎖

ReentrantLock通過AQS的state變量巧妙的實現了可重入加鎖。如果是同一個線程調用了lock方法，加鎖，state會在現有值上加+1，每再次加一次鎖，就是一次可重入，所以就加鎖可重入鎖。也就是說：同一個線程可以使用同一個ReentrantLock進行反復加鎖。（sychronized的重量級Monitor鎖也是可重入鎖。）

另外，釋放鎖的話，肯定需要釋放所多次，同一個線程加鎖了幾次，就需要釋放幾次，需要將state值恢復為0才算真正的釋放鎖，別的線程才能獲取到。

3. 獨占鎖 VS 共享鎖

所謂獨占鎖，就是只要有一個線程加鎖，其他人都得靠邊站，這把鎖屬于某個線程獨占，這就是獨占鎖。默認reentrantLock.lock創建的是非公平的可重入獨占鎖！

共享鎖是什么意思呢？意思就是可以和別的線程同時持有一把鎖，比如之后要講的讀寫鎖。線程1加了讀鎖，線程2還是可以加讀鎖的，它們共享一把鎖。這樣的鎖就是一把共享鎖。

參考引用：

1、初識ReenranctLock加鎖的AQS底層原理
2、你知道ReentrantLock 公平、非公平、可重入、獨占、共享鎖都是什么意思嗎？
3、我畫了35張圖，就是為了讓你深入理解 AQS
4、大白話聊聊Java并發面試問題之談談你對AQS的理解？【石杉的架構筆記】