java锁机源码（硬核剖析Java锁底层AQS源码，深入理解底层架构设计）

我们常见的并发锁ReentrantLock               、CountDownLatch 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
 、Semaphore















、CyclicBarrier都是基于AQS实现的 
  
  
  
  
  
  
  
，所以说不懂AQS实现原理的
  
  
  
  
  
  
  
 ，就不能说了解Java锁 
  
  
  
  
  
  
  
。

上篇文章讲了AQS的加锁流程
 


 


 


 


 


 


 


 ，这篇文章再一块看一下AQS具体源码实现
  
  
  
  
  
  
  
 。

先回顾一下AQS的加锁流程

1. AQS加锁流程

AQS的加锁流程并不复杂 
 
 
 
 
 
 
 
，只要理解了同步队列和条件队列
   
   
   
   
   
   
   
 ，以及它们之间的数据流转
 

 

 

 

 

 

 

 ，就算彻底理解了AQS
 


 


 


 


 


 


 


 。

当多个线程竞争AQS锁时 

 

 

 

 

 

 

 
，如果有个线程获取到锁               ，就把ower线程设置为自己 没有竞争到锁的线程

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 ，在同步队列中阻塞（同步队列采用双向链表














，尾插法） 
 
 
 
 
 
 
 
。 持有锁的线程调用await方法                       ，释放锁
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，追加到条件队列的末尾（条件队列采用单链表






















，尾插法）
   
   
   
   
   
   
   
 。 持有锁的线程调用signal方法               ，唤醒条件队列的头节点
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  ，并转移到同步队列的末尾
 

 

 

 

 

 

 

 。 同步队列的头节点优先获取到锁

了解AQS加锁流程之后














，再去看源码就容易理解了 

 

 

 

 

 

 

 
。

2. AQS的数据结构

// 继承自AbstractOwnableSynchronizer 
  
  
  
  
  
  
  
，为了记录哪个线程占用锁 public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer { // 同步状态
  
  
  
  
  
  
  
 ，0表示无锁
 


 


 


 


 


 


 


 ，每次加锁+1 
 
 
 
 
 
 
 
，释放锁-1 private volatile int state; // 同步队列的头尾节点 private transient volatile Node head; private transient volatile Node tail; // Node节点
   
   
   
   
   
   
   
 ，用来包装线程
 

 

 

 

 

 

 

 ，放到队列中 static final class Node { // 节点中的线程 volatile Thread thread; // 节点状态 volatile int waitStatus; // 同步队列的前驱节点和后继节点 volatile Node prev; volatile Node next; // 条件队列的后继节点 Node nextWaiter; } // 条件队列 public class ConditionObject implements Condition { // 条件队列的头尾节点 private transient Node firstWaiter; private transient Node lastWaiter; } }

首先AQS继承自AbstractOwnableSynchronizer 

 

 

 

 

 

 

 
，其实是为了记录哪个线程正在占用锁               。

public abstract class AbstractOwnableSynchronizer { private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 设置占用锁的线程 protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { exclusiveOwnerThread = thread; } protected final Thread getExclusiveOwnerThread() { return exclusiveOwnerThread; } }

无论是同步队列还是条件队列中线程都需要包装成Node节点

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 。

虽然同步队列和条件队列都是由Node节点组成的               ，但是同步队列中是使用prev和next组成双向链表

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 ，nextWaiter只用来表示是共享模式还是排他模式














。

条件队列没有使用到Node中prev和next属性














，而是使用nextWaiter组成单链表                       。

这个复用对象的设计思想值得我们学习
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 。

同步队列head节点是个哑节点                       ，里面并没有存储线程对象






















。当然head节点也可以看成是给当前持有锁的线程使用的               。

Node节点的状态（waitStatus）共有5种：

1 cancelled：表示线程已经被取消 0 初始化：Node节点的默认值 -1 signal: 表示节点线程在释放锁后要唤醒同步队列中的下一个节点线程 -2 condition: 当前节点在条件队列中 -3 propagate: 释放共享资源的时候会向后传播释放其他共享节点(用于共享模式)

3. AQS方法概览

AQS支持独占和共享两种访问资源的模式（独占模式又叫排他模式）
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  。

独占模式的方法：

// 加锁 acquire(); // 加可中断的锁 acquireInterruptibly(); // 一段时间内
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，加锁不成功






















，就不加了 tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout); // 释放锁 release();

共享模式的方法：

// 加锁 acquireShared(); // 加可中断的锁 acquireSharedInterruptibly(); // 一段时间内               ，加锁不成功
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  ，就不加了 tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout); // 释放锁 releaseShared();

独占模式和共享模式的方法并没有实现具体的加锁 
  
  
  
  
  
  
  、释放锁逻辑














，AQS中只是定义了加锁 
  
  
  
  
  
  
  
 、释放锁的抽象方法














。

留给子类实现的抽象方法：

// 加独占锁 protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 释放独占锁 protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 加共享锁 protected int tryAcquireShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 释放共享锁 protected boolean tryReleaseShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 判断是否是当前线程正在持有锁 protected boolean isHeldExclusively() { throw new UnsupportedOperationException(); }

这里就用到了设计模式中的模板模式 
  
  
  
  
  
  
  
，父类AQS定义了加锁

 


 


 


 


 


 


 


、释放锁的流程
  
  
  
  
  
  
  
 ，子类ReentrantLock 
 
 
 
 
 
 
 、CountDownLatch 
   
   
   
   
   
   
   
 、Semaphore
 

 

 

 

 

 

 

、CyclicBarrier负责实现具体的加锁
 

 

 

 

 

 

 

 、释放锁逻辑 
  
  
  
  
  
  
  
。

这不是个面试知识点吗？

面试官再问你
 


 


 


 


 


 


 


 ，你看过哪些框架源码使用到了设计模式？

你就可以回答AQS源码中用到了模板模式 
 
 
 
 
 
 
 
，巴拉巴拉
   
   
   
   
   
   
   
 ，妥妥的加分项！

4. AQS源码剖析

整个加锁流程如下：

先看一下加锁方法的源码：

4.1 加锁

// 加锁方法
 

 

 

 

 

 

 

 ，传参是1 public final void acquire(int arg) { // 1. 首先尝试获取锁 

 

 

 

 

 

 

 
，如果获取成功               ，则设置state+1

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 ，exclusiveOwnerThread=currentThread（留给子类实现） if (!tryAcquire(arg) && // 2. 如果没有获取成功














，把线程组装成Node节点                       ，追加到同步队列末尾 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) { // 3. 加入同步队列后
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，将自己挂起 selfInterrupt(); } }

再看一下addWaiter方法源码






















，作用就是把线程组装成Node节点               ，追加到同步队列末尾
  
  
  
  
  
  
  
 。

// 追加到同步队列末尾
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  ，传参是共享模式or排他模式 private Node addWaiter(Node mode) { // 1. 组装成Node节点 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; // 2. 在多线程竞争不激烈的情况下














，通过CAS方法追加到同步队列末尾 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } // 3. 在多线程竞争激烈的情况下 
  
  
  
  
  
  
  
，使用死循环保证追加到同步队列末尾 enq(node); return node; } // 创建Node节点
  
  
  
  
  
  
  
 ，传参是线程
 


 


 


 


 


 


 


 ，共享模式or排他模式 Node(Thread thread, Node mode) { this.thread = thread; this.nextWaiter = mode; } // 通过死循环的方式 
 
 
 
 
 
 
 
，追加到同步队列末尾 private Node enq(final Node node) { for (; ; ) { Node t = tail; if (t == null) { if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }

再看一下addWaiter方法外层的acquireQueued方法
   
   
   
   
   
   
   
 ，作用就是：

在追加到同步队列末尾后
 

 

 

 

 

 

 

 ，再判断一下前驱节点是不是头节点
 


 


 


 


 


 


 


 。如果是 

 

 

 

 

 

 

 
，说明是第一个加入同步队列的               ，就再去尝试获取锁 
 
 
 
 
 
 
 
。 如果获取锁成功

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 ，就把自己设置成头节点
   
   
   
   
   
   
   
 。 如果前驱节点不是头节点














，或者获取锁失败                       ，就逆序遍历同步队列
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，找到可以将自己唤醒的节点
 

 

 

 

 

 

 

 。 最后才放心地将自己挂起 // 追加到同步队列末尾后






















，再次尝试获取锁 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (; ; ) { // 1. 找到前驱节点 final Node p = node.predecessor(); // 2. 如果前驱节点是头结点               ，就再次尝试获取锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 3. 获取锁成功后
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  ，把自己设置为头节点 setHead(node); p.next = null; failed = false; return interrupted; } // 4. 如果还是没有获取到锁














，找到可以将自己唤醒的节点 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 5. 最后才放心地将自己挂起 parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }

再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法 
  
  
  
  
  
  
  
，是怎么找到将自己唤醒的节点的？为什么要找这个节点？

// 加入同步队列后
  
  
  
  
  
  
  
 ，找到能将自己唤醒的节点 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; // 1. 如果前驱节点的状态已经是SIGNAL状态（释放锁后
 


 


 


 


 


 


 


 ，需要唤醒后继节点） 
 
 
 
 
 
 
 
，就无需操作了 if (ws == Node.SIGNAL) return true; // 2. 如果前驱节点的状态是已取消
   
   
   
   
   
   
   
 ，就继续向前遍历 if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { // 3. 找到了不是取消状态的节点
 

 

 

 

 

 

 

 ，把该节点状态设置成SIGNAL compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }

从代码中可以很清楚的看到 

 

 

 

 

 

 

 
，目的就是为了找到不是取消状态的节点               ，并把该节点的状态设置成SIGNAL 

 

 

 

 

 

 

 
。

状态是SIGNAL的节点

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 ，释放锁后














，需要唤醒其后继节点               。

简单理解就是：小弟初来乍到                       ，特意来知会老大一声
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，有好事






















，多通知小弟

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 。

再看一下释放锁的逻辑














。

4.2 释放锁

释放锁的流程如下：

释放锁的代码逻辑比较简单：

// 释放锁 public final boolean release(int arg) { // 1. 先尝试释放锁               ，如果时候成功
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  ，则设置state-1














，exclusiveOwnerThread=null（由子类实现） if (tryRelease(arg)) { Node h = head; // 2. 如果同步队列中还有其他节点 
  
  
  
  
  
  
  
，就唤醒下一个节点 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 3. 唤醒其后继节点 unparkSuccessor(h); return true; } return false; }

再看一下唤醒后继节点的方法

// 唤醒后继节点 private void unparkSuccessor(Node node) { int ws = node.waitStatus; // 1. 如果头节点不是取消状态
  
  
  
  
  
  
  
 ，就重置成初始状态 if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s = node.next; // 2. 如果后继节点是null或者是取消状态 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 3. 从队尾开始遍历
 


 


 


 


 


 


 


 ，找到一个有效状态的节点 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } // 3. 唤醒这个有效节点 if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }

4.3 await等待

await等待的流程：

持有锁的线程可以调用await方法 
 
 
 
 
 
 
 
，作用是：释放锁
   
   
   
   
   
   
   
 ，并追加到条件队列末尾                       。

// 等待方法 public final void await() throws InterruptedException { // 如果线程已中断
 

 

 

 

 

 

 

 ，则中断 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 1. 追加到条件队列末尾 Node node = addConditionWaiter(); // 2. 释放锁 int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; // 3. 有可能刚加入条件队列就被转移到同步队列了 

 

 

 

 

 

 

 
，如果还在条件队列               ，就可以放心地挂起自己 while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } // 4. 如果已经转移到同步队列

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 ，就尝试获取锁 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // 5. 清除条件队列中已取消的节点 unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }

再看一下addConditionWaiter方法














，是怎么追加到条件队列末尾的？

// 追加到条件队列末尾 private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; // 1. 清除已取消的节点                       ，找到有效节点 if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } // 2. 创建Node节点
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，状态是-2（表示处于条件队列） Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); // 3. 追加到条件队列末尾 if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; }

4.4 signal唤醒

signal唤醒的流程：

唤醒条件队列的头节点






















，并追加到同步队列末尾
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 。

// 唤醒条件队列的头节点 public final void signal() { // 1. 只有持有锁的线程才能调用signal方法 if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 2. 找到条件队列的头节点 Node first = firstWaiter; if (first != null) // 3. 开始唤醒 doSignal(first); } // 实际的唤醒方法 private void doSignal(Node first) { do { // 4. 从条件队列中移除头节点 if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; // 5. 使用死循环               ，一定要转移一个节点到同步队列 } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); }

到底是怎么转移到同步队列末尾的？

// 实际转移方法 final boolean transferForSignal(Node node) { // 1. 把节点状态从CONDITION改成0 if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; // 2. 使用死循环的方式
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  ，追加到同步队列末尾（前面已经讲过） Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; // 3. 把前驱节点状态设置SIGNAL（通知他














，别忘了唤醒老弟） if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }

5. 总结

看完整个AQS的源码 
  
  
  
  
  
  
  
，是不是完全理解了AQS加锁               、释放锁 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

、以及同步队列和条件队列数据流转的逻辑了






















。

连AQS这么复杂的源码你都搞清楚了
  
  
  
  
  
  
  
 ，下篇带你一块学习ReentrantLock源码
 


 


 


 


 


 


 


 ，应该就轻松多了               。

我是「一灯架构」 
 
 
 
 
 
 
 
，如果本文对你有帮助
   
   
   
   
   
   
   
 ，欢迎各位小伙伴点赞














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