我画了35张图就是为了让你深入 AQS
申明
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前言
谈到并发，我们不得不说，所谓的即是抽象的队列式的同步器，内部定义了很多锁相关的方法，我们熟知的、、、等都是基于来实现的。
我们先看下相关的图：
思维导图：
AQS实现原理
中 维护了一个（代表共享资源）和一个线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。
这里能够保证多线程下的可见性，当则代表当前对象锁已经被占有，其他线程来加锁时则会失败，加锁失败的线程会被放入一个的等待队列中，比列会被操作挂起，等待其他获取锁的线程释放锁才能够被唤醒。
另外的操作都是通过来保证其并发修改的安全性。
具体原理我们可以用一张图来简单概括：
中提供了很多关于锁的实现方法，
getState()：获取锁的标志state值
setState()：设置锁的标志state值
tryAcquire(int)：独占方式获取锁。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)：独占方式释放锁。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
这里还有一些方法并没有列出来，接下来我们以作为突破点通过源码和画图的形式一步步了解内部实现原理。
目录结构
文章准备模拟多线程竞争锁、释放锁的场景来进行分析源码：
三个线程(线程一、线程二、线程三)同时来加锁/释放锁
目录如下：
线程一加锁成功时内部实现
线程二/三加锁失败时中等待队列的数据模型
线程一释放锁及线程二获取锁实现原理
通过线程场景来讲解公平锁具体实现原理
通过线程场景来讲解Condition中a和实现原理
这里会通过画图来分析每个线程加锁、释放锁后内部的数据结构和实现原理
场景分析
线程一加锁成功
如果同时有三个线程并发抢占锁，此时线程一抢占锁成功，线程二和*
此时内部数据为：
线程二、*
有图可以看出，等待队列中的节点是一个双向链表，这里是中属性，中还有一个属性，这个并未在图中画出来，这个到后面会具体讲解的。
具体看下抢占锁代码实现：
`java.util.concurrent.locks.ReentrantLock
.NonfairSync:`
static final class NonfairSync extends Sync {
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}这里使用的ReentrantLock非公平锁，线程进来直接利用尝试抢占锁，如果抢占成功值回被改为1，且设置对象独占锁线程为当前线程。如下所示：
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}线程二抢占锁失败
我们按照真实场景来分析，线程一抢占锁成功后，变为1，**线程二**通过修改变量必然会失败。此时中(First In First Out 先进先出)队列中数据如图所示：
我们将线程二执行的逻辑一步步拆解来看：
:
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}先看看的具体实现：
:
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}方法中首先会获取的值，如果不为0则说明当前对象的锁已经被其他线程所占有，接着判断占有锁的线程是否为当前线程，如果是则累加值，这就是可重入锁的具体实现，累加值，释放锁的时候也要依次递减值。
如果为0，则执行操作，尝试更新值为1，如果更新成功则代表当前线程加锁成功。
以线程二为例，因为线程一已经将修改为1，所以**线程二**通过修改的值不会成功。加锁失败。
线程二执行后会返回false，接着执行逻辑，将自己加入到一个等待队列中，代码实现如下：
:
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}这段代码首先会创建一个和当前线程绑定的节点，为双向链表。此时等待对内中的指针为空，直接调用方法将当前线程加入等待队列尾部：
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;
}
}
}
}第一遍循环时指针为空，进入if逻辑，使用操作设置指针，将指向一个新创建的节点。此时中数据：
执行完成之后，、、都指向第一个元素。
接着执行第二遍循环，进入逻辑，此时已经有了节点，这里要操作的就是将**线程二**对应的节点挂到节点后面。此时队列中就有了两个节点：
方法执行完后，会返回当前线程创建的节点信息。继续往后执行
逻辑，此时传入的参数为线程二对应的节点信息：
:
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndChecknIterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}这个方法会先判断当前传入的对应的前置节点是否为，如果是则尝试加锁。加锁成功过则将当前节点设置为节点，然后空置之前的节点，方便后续被垃圾回收掉。
如果加锁失败或者的前置节点不是节点，就会通过方法
将节点的变为了，最后执行方法，调用挂起当前线程。
此时中的数据如下图：
此时线程二就静静的待在的等待队列里面了，等着其他线程释放锁来唤醒它。
线程三抢占锁失败
看完了线程二抢占锁失败的分析，那么再来分析线程三抢占锁失败就很简单了，先看看方法：
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}此时等待队列的节点指向**线程二**，进入逻辑后，通过指令将节点重新指向线程三。接着线程三调用方法执行入队操作，和上面**线程二**执行方式是一致的，入队后会修改线程二对应的中的。最后线程三也会被挂起。此时等待队列的数据如图：
线程一释放锁
现在来分析下释放锁的过程，首先是线程一释放锁，释放锁后会唤醒节点的后置节点，也就是我们现在的线程二，具体操作流程如下：
执行完后等待队列数据如下：
此时线程二已经被唤醒，继续尝试获取锁，如果获取锁失败，则会继续被挂起。如果获取锁成功，则中数据如图：
接着还是一步步拆解来看，先看看线程一释放锁的代码：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}这里首先会执行方法，这个方法具体实现在中，如果执行成功，则继续判断节点的是否为0，前面我们已经看到过，的为，这里就会执行方法来唤醒的后置节点，也就是我们上面图中线程二对应的节点。
此时看中的具体实现：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}执行完后，被设置成0，Lock对象的独占锁被设置为null。此时看下中的数据：
接着执行方法，唤醒的后置节点：
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
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);
}这里主要是将节点的设置为0。
此时重新将指针指向**线程二**对应的节点，且使用方法来唤醒线程二。
被唤醒的线程二会接着尝试获取锁，用指令修改数据。
执行完成后可以查看中数据：
此时线程二被唤醒，线程二接着之前被的地方继续执行，继续执行方法。
线程二唤醒继续加锁
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}此时线程二被唤醒，继续执行循环，判断线程二的前置节点是否为，如果是则继续使用方法来尝试获取锁，其实就是使用操作来修改值，如果修改成功则代表获取锁成功。接着将线程二设置为节点，然后空置之前的节点数据，被空置的节点数据等着被垃圾回收。
此时线程二获取锁成功，中队列数据如下：
等待队列中的数据都等待着被垃圾回收。
线程二释放锁/线程三加锁
当线程二释放锁时，会唤醒被挂起的线程三，流程和上面大致相同，被唤醒的线程三会再次尝试加锁，具体代码可以参考上面内容。具体流程图如下：
此时中队列数据如图：
公平锁实现原理
上面所有的加锁场景都是基于非公平锁来实现的，非公平锁是的默认实现，那我们接着来看一下公平锁的实现原理，这里先用一张图来解释公平锁和*
非公平锁执行流程：
这里我们还是用之前的线程模型来举例子，当线程二释放锁的时候，唤醒被挂起的线程三，*
这种情况就会出现竞争，线程四如果获取锁成功，线程三仍然需要待在等待队列中被挂起。这就是所谓的非公平锁，*
公平锁执行流程：
公平锁在加锁的时候，会先判断等待队列中是存在节点，如果存在节点则会直接入队等待，具体代码如下.
公平锁在获取锁是也是首先会执行方法，只不过公平锁单独实现了方法：
:
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}这里会执行中公平锁的方法
:
static final class FairSync extends Sync {
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}这里会先判断值，如果不为0且获取锁的线程不是当前线程，直接返回false代表获取锁失败，被加入等待队列。如果是当前线程则可重入获取锁。
如果则代表此时没有线程持有锁，执行判断等待队列中是否有元素存在，如果存在其他等待线程，那么自己也会加入到等待队列尾部，做到真正的先来后到，有序加锁。具体代码如下：
:
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}这段代码很有意思，返回代表队列中没有节点或者仅有一个节点是当前线程创建的节点。返回则代表队列中存在等待节点，当前线程需要入队等待。
先判断是否等于，如果队列中只有一个节点，那么会等于。
接着判断，这种属于一种极端情况，在入队操作中，此时不是原子性操作，可能存在这种情况：
在第一个红框处，例如 线程一 执行完成，此时head已经有值，而还未执行的时候，此时 线程二 判断 成立。而接着 **线程一** 执行完第二个红框处，此时，但是并未将指向。而这时 线程二 就会得到成立，直接返回true。这种情况代表有节点正在做入队操作。
如果不为空，那么接着判断节点是否为当前线程，如果不是则返回false。大家要记清楚，返回false代表FIFO队列中没有等待获取锁的节点，此时线程可以直接尝试获取锁，如果返回true代表有等待线程，当前线程如要入队排列，这就是体现公平锁的地方。
非公平锁和*
非公平锁性能高于公平锁性能。非公平锁可以减少唤醒线程的开销，整体的吞吐效率会高点，也不必取唤醒所有线程，会减少唤起线程的数量
非公平锁性能虽然优于公平锁，但是会存在导致线程饥饿的情况。在最坏的情况下，可能存在某个线程一直获取不到锁。不过相比性能而言，饥饿问题可以暂时忽略，这可能就是默认创建非公平锁的原因之一了。
Condition实现原理
Condition简介
上面已经介绍了所提供的核心功能，当然它还有很多其他的特性，这里我们来继续说下这个组件。
是在中才出现的，它用来替代传统的的、实现线程间的协作，相比使用的、，使用中的、这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用
其中中实现了中的方法，主要对外提供和调用。
Condition Demo示例
使用示例代码：
/**
* ReentrantLock 实现源码学习
* @author 一枝花算不算浪漫
* @date 2020/4/28 7:20
*/
public class ReentrantLockDemo {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Condition condition = lock.newCondition();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println("线程一加锁成功");
System.out.println("线程一执行await被挂起");
condition.await();
System.out.println("线程一被唤醒成功");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
System.out.println("线程一释放锁成功");
}
}).start();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println("线程二加锁成功");
condition.signal();
System.out.println("线程二唤醒线程一");
} finally {
lock.unlock();
System.out.println("线程二释放锁成功");
}
}).start();
}
}执行结果如下图：
这里线程一先获取锁，然后使用方法挂起当前线程并释放锁，**线程二**获取锁后使用唤醒线程一。
Condition实现原理图解
我们还是用上面的作为实例，执行的流程如下：
线程一执行方法：
先看下具体的代码实现，：
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}方法中首先调用将当前线程加入到队列中。
执行完后我们可以看下队列中的数据：
具体实现代码为：
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}这里会用当前线程创建一个节点，为。接着会释放该节点的锁，调用之前解析过的方法，释放锁后此时会唤醒被挂起的线程二，*
接着调用方法是判断当前的线程节点是不是在同步队列中，因为上一步已经释放了锁，也就是说此时可能有线程已经获取锁同时可能已经调用了方法，如果已经唤醒，那么就不应该了，而是退出方法，从而继续争抢锁。
此时线程一被挂起，线程二获取锁成功。
具体流程如下图：
线程二执行方法：
首先我们考虑下线程二已经获取到锁，此时等待队列中已经没有了数据。
接着就来看看线程二唤醒*
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}先判断当前线程是否为获取锁的线程，如果不是则直接抛出异常。
接着调用方法来唤醒线程。
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
final boolean transferForSignal(Node node) {
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}这里先从方法来看，通过上面的分析我们知道队列中只有线程一创建的一个节点，且为，先通过修改当前节点为0，然后执行方法将当前线程加入到等待队列中，并返回当前线程的前置节点。
加入等待队列的代码在上面也已经分析过，此时等待队列中数据如下图：
接着开始通过修改当前节点的前置节点为，并且唤醒当前线程。此时中等待队列数据为：
线程一被唤醒后，继续执行方法中的while循环。
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}因为此时线程一的已经被修改为0，所以执行方法会返回。跳出循环。
接着执行方法，这里之前也有讲过，尝试重新获取锁，如果获取锁失败继续会被挂起。直到另外线程释放锁才被唤醒。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}此时线程一的流程都已经分析完了，等线程二释放锁后，线程一会继续重试获取锁，流程到此终结。
Condition总结
我们总结下Condition和wait/notify的比较：
Condition可以精准的对多个不同条件进行控制，wait/notify只能和synchronized关键字一起使用，并且只能唤醒一个或者全部的等待队列；
Condition需要使用Lock进行控制，使用的时候要注意lock()后及时的unlock()，Condition有类似于await的机制，因此不会产生加锁方式而产生的死锁出现，同时底层实现的是park/unpark的机制，因此也不会产生先唤醒再挂起的死锁，一句话就是不会产生死锁，但是wait/notify会产生先唤醒再挂起的死锁。
总结
这里用了一步一图的方式结合三个线程依次加锁/释放锁来展示了的实现方式和实现原理，而底层就是基于实现的，所以我们也对有了深刻的理解。
另外还介绍了公平锁与*
参考资料：
https://juejin.im/post/5c11d6376fb9a049e82b6253