摘要：在多線程編程中我們會(huì)遇到很多需要使用線程同步機(jī)制去解決的并發(fā)問(wèn)題，而這些同步機(jī)制就是多線程編程中影響正確性和運(yùn)行效率的重中之重。這五個(gè)方法之所以能指定同步器的行為，則是因?yàn)橹械钠渌椒ň褪峭ㄟ^(guò)對(duì)這五個(gè)方法的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在多線程編程中我們會(huì)遇到很多需要使用線程同步機(jī)制去解決的并發(fā)問(wèn)題，而這些同步機(jī)制就是多線程編程中影響正確性和運(yùn)行效率的重中之重。這不禁讓我感到好奇，這些同步機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的呢？好奇心是進(jìn)步的源泉，就讓我們一起來(lái)揭開(kāi)同步機(jī)制源碼的神秘面紗吧。

在本文中，我們會(huì)從JDK中大多數(shù)同步機(jī)制的共同基礎(chǔ)AbstractQueuedSynchronizer類(lèi)開(kāi)始說(shuō)起，然后通過(guò)源碼了解我們最常用的兩個(gè)同步類(lèi)可重入鎖ReentrantLock和閉鎖CountDownLatch的具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這篇文章我們將可以了解到ReentrantLock和CountDownLatch兩個(gè)常用同步類(lèi)的源代碼實(shí)現(xiàn)，并且掌握閱讀其他基于AQS實(shí)現(xiàn)的同步工具類(lèi)源碼的能力，甚至可以利用AQS寫(xiě)出自己的同步工具類(lèi)。

閱讀這篇文章需要了解基本的線程同步機(jī)制，有興趣的讀者可以參考一下這篇文章《多線程中那些看不到的陷阱》。

ReentrantLock是我們常用的一種可重入互斥鎖，是synchronized關(guān)鍵字的一個(gè)很好的替代品。互斥指的就是同一時(shí)間只能有一個(gè)線程獲取到這個(gè)鎖，而可重入是指如果一個(gè)線程再次獲取一個(gè)它已經(jīng)持有的互斥鎖，那么仍然會(huì)成功。

這個(gè)類(lèi)的源碼在JDK的java.util.concurrent包下，我們可以在IDE中點(diǎn)擊類(lèi)名跳轉(zhuǎn)到具體的類(lèi)定義，比如下面就是在我的電腦上跳轉(zhuǎn)之后看到的ReentrantLock類(lèi)的源代碼。在這里我們可以看到在ReentrantLock類(lèi)中還包含了一個(gè)繼承自AbstractQueuedSynchronizer類(lèi)的內(nèi)部類(lèi)，而且有一個(gè)該內(nèi)部類(lèi)Sync類(lèi)型的字段sync。實(shí)際上ReentrantLock類(lèi)就是通過(guò)這個(gè)內(nèi)部類(lèi)對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)線程同步的。

如果打開(kāi)CountDownLatch的源代碼，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)類(lèi)里也同樣有一個(gè)繼承自AbstractQueuedSynchronizer類(lèi)的子類(lèi)Sync，并且也有一個(gè)Sync類(lèi)型的字段sync。在java.util.concurrent包下的大多數(shù)同步工具類(lèi)的底層都是通過(guò)在內(nèi)部定義一個(gè)AbstractQueuedSynchronizer類(lèi)的子類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括我們?cè)诒疚闹袥](méi)提到的許多其他常用類(lèi)也是如此，比如：讀寫(xiě)鎖ReentrantReadWriteLock、信號(hào)量Semaphore等。

那么這個(gè)AbstractQueuedSynchronizer類(lèi)也就是我們所說(shuō)的AQS，到底是何方神圣呢？這個(gè)類(lèi)首先像我們上面提到的，是大多數(shù)多線程同步工具類(lèi)的基礎(chǔ)。它內(nèi)部包含了一個(gè)對(duì)同步器的等待隊(duì)列，其中包含了所有在等待獲取同步器的線程，在這個(gè)等待隊(duì)列中的線程將會(huì)在同步器釋放時(shí)被喚醒。比如一個(gè)線程在獲取互斥鎖失敗時(shí)就會(huì)被放入到等待隊(duì)列中等待被喚醒，這也就是AQS中的Q——“Queued”的由來(lái)。

而類(lèi)名中的第一個(gè)單詞Abstract是因?yàn)锳QS是一個(gè)抽象類(lèi)，它的使用方法就是實(shí)現(xiàn)繼承它的子類(lèi)，然后使用這個(gè)子類(lèi)類(lèi)型的對(duì)象。在這個(gè)子類(lèi)中我們會(huì)通過(guò)重寫(xiě)下列的五個(gè)方法中的一部分或者全部來(lái)指定這個(gè)同步器的行為策略：

boolean tryAcquire(int arg)，獨(dú)占式獲取同步器，獨(dú)占式指同一時(shí)間只能有一個(gè)線程獲取到同步器；

boolean tryRelease(int arg)，獨(dú)占式釋放同步器；

boolean isHeldExclusively()，同步器是否被當(dāng)前線程獨(dú)占式地持有；

int tryAcquireShared(int arg)，共享式獲取同步器，共享式指的是同一時(shí)間可能有多個(gè)線程同時(shí)獲取到同步器，但是可能會(huì)有數(shù)量的限制；

boolean tryReleaseShared(int arg)，共享式釋放同步器。

這五個(gè)方法之所以能指定同步器的行為，則是因?yàn)锳QS中的其他方法就是通過(guò)對(duì)這五個(gè)方法的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。比如在下面的acquire方法中就調(diào)用了tryAcquire來(lái)獲取同步器，并且在被調(diào)用的acquireQueued方法內(nèi)部也是通過(guò)tryAcquire方法來(lái)循環(huán)嘗試獲取同步器的。

public final void acquire(int arg) {
    // 1. 調(diào)用tryAcquire方法嘗試獲取鎖
    // 2. 如果獲取失敗(tryAcquire返回false)，則調(diào)用addWaiter方法將當(dāng)前線程保存到等待隊(duì)列中
    // 3. 之后調(diào)用acquireQueued方法來(lái)循環(huán)執(zhí)行“獲取同步器 -> 獲取失敗休眠 -> 被喚醒重新獲取”過(guò)程
    //      直到成功獲取到同步器返回false；或者被中斷返回true
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        // 如果acquireQueued方法返回true說(shuō)明線程被中斷了
        //   所以調(diào)用selfInterrupt方法中斷當(dāng)前線程
        selfInterrupt();
}

下面，我們就來(lái)看看在ReentrantLock和CountDownLatch兩個(gè)類(lèi)中定義的AQS子類(lèi)到底是如何重寫(xiě)這五個(gè)方法的。

CountDownLatch是一種典型的閉鎖，比如我需要使用四個(gè)線程完成四種不同的計(jì)算，然后把四個(gè)線程的計(jì)算結(jié)果相加后返回，這種情況下主線程就需要等待四個(gè)完成不同任務(wù)的工作線程完成之后才能繼續(xù)執(zhí)行。那么我們就可以創(chuàng)建一個(gè)初始的count值為4的CountDownLatch，然后在每個(gè)工作線程完成任務(wù)時(shí)都對(duì)這個(gè)CountDownLatch執(zhí)行一個(gè)countDown操作，這樣CountDownLatch中的count值就會(huì)減1。當(dāng)count值減到0時(shí)，主線程就會(huì)從阻塞中恢復(fù)，然后將四個(gè)任務(wù)的結(jié)果相加后返回。

下面是CountDownLath的幾個(gè)常用方法：

void await()，等待操作，如果count值目前已經(jīng)是0了，那么就直接返回；否則就進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待count值變?yōu)?；

void countDown()，減少計(jì)數(shù)操作，會(huì)讓count減1。

調(diào)用多次countDown()方法讓count值變?yōu)?之后，被await()方法阻塞的線程就可以繼續(xù)執(zhí)行了。了解了CountDownLatch的基本用法之后我們就來(lái)看看這個(gè)閉鎖到底是怎么實(shí)現(xiàn)的，首先，我們來(lái)看一下CountDownLatch中AQS的子類(lèi)，內(nèi)部類(lèi)Sync的定義。

下面的代碼是CountDownLatch中AQS的子類(lèi)Sync的定義，Sync是CountDownLatch類(lèi)中的一個(gè)內(nèi)部類(lèi)。在這個(gè)類(lèi)中重寫(xiě)了AQS的tryAcquireShared和tryReleaseShared兩個(gè)方法，這兩個(gè)都是共享模式需要重寫(xiě)的方法，因?yàn)?b>CountDownLatch在count值為0時(shí)可以被任意多個(gè)線程同時(shí)獲取成功，所以應(yīng)該實(shí)現(xiàn)共享模式的方法。

在CountDownLatch的Sync中使用了AQS的state值用來(lái)存放count值，在初始化時(shí)會(huì)把state值初始化為n。然后在調(diào)用tryReleaseShared時(shí)會(huì)將count值減1，但是因?yàn)檫@個(gè)方法可能會(huì)被多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用，所以要用CAS操作保證更新操作的原子性，就像我們用AtomicInteger一樣。在CAS失敗時(shí)我們需要通過(guò)重試來(lái)保證把state減1，如果CAS成功時(shí)，即使有許多線程同時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作最后的結(jié)果也一定是正確的。在這里，tryReleaseShared方法的返回值表示這個(gè)釋放操作是否可以讓等待中的線程成功獲取同步器，所以只有在count為0時(shí)才能返回true。

tryAcquireShared方法就比較簡(jiǎn)單了，直接返回state是否等于0即可，因?yàn)橹挥性?b>CountDownLatch中的count值為0時(shí)所有希望獲取同步器的線程才能獲取成功并繼續(xù)執(zhí)行。如果count不為0，那么線程就需要進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等到count值變?yōu)?才能繼續(xù)執(zhí)行。

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

    // 構(gòu)造器，初始化count值
    // 在這個(gè)子類(lèi)中把count值保存到了AQS的state中
    Sync(int count) {
        setState(count);
    }

    // 獲取當(dāng)前的count值
    int getCount() {
        return getState();
    }

    // 獲取操作在state為0時(shí)會(huì)成功，否則失敗
    // tryAcquireShared失敗時(shí)，線程會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)等待獲取成功
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return (getState() == 0) ? 1 : -1;
    }

    // 對(duì)閉鎖執(zhí)行釋放操作減小計(jì)數(shù)值
    protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
        // 減小coun值，在count值歸零時(shí)喚醒等待的線程
        for (;;) {
            int c = getState();

            // 如果計(jì)數(shù)已經(jīng)歸零，則直接釋放失敗
            if (c == 0)
                return false;

            // 將計(jì)數(shù)值減1
            int nextc = c-1;
            // 為了線程安全，以CAS循環(huán)嘗試更新
            if (compareAndSetState(c, nextc))
                return nextc == 0;
        }
    }
}

看了CountDownLatch中的Sync內(nèi)部類(lèi)定義之后，我們?cè)賮?lái)看看CountDownLatch是如何使用這個(gè)內(nèi)部類(lèi)的。

在CountDownLatch的構(gòu)造器中，初始化CountDownLatch對(duì)象時(shí)會(huì)同時(shí)在其內(nèi)部初始化保存一個(gè)Sync類(lèi)型的對(duì)象到sync字段用于之后的同步操作。并且傳入Sync類(lèi)構(gòu)造器的count一定會(huì)大于等于0。

public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}

有了Sync類(lèi)型的對(duì)象之后，我們?cè)?b>await()方法里就可以直接調(diào)用sync的acquireSharedInterruptibly方法來(lái)獲取同步器并陷入阻塞，等待count值變?yōu)?了。在AQS的acquireSharedInterruptibly方法中會(huì)在調(diào)用我們重寫(xiě)的tryAcquireShared方法獲取失敗時(shí)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到CountDownLatch的count值變?yōu)?時(shí)才能成功獲取到同步器。

public void await() throws InterruptedException {
    // 調(diào)用sync對(duì)象的獲取方法來(lái)進(jìn)入鎖等待
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

而在CountDownLatch的另一個(gè)減少count值的重要方法countDown()中，我們同樣是通過(guò)調(diào)用sync上的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的同步功能。在這里，AQS的releaseShared(1)方法中同樣會(huì)調(diào)用我們?cè)?b>Sync類(lèi)中重寫(xiě)的tryReleaseShared方法來(lái)執(zhí)行釋放操作，并在tryReleaseShared方法返回true時(shí)去喚醒等待隊(duì)列中的阻塞等待線程，讓它們?cè)赾ount值為0時(shí)能夠繼續(xù)執(zhí)行。

public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}

從上文中可以看出，CoundDownLatch中的各種功能都是通過(guò)內(nèi)部類(lèi)Sync來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這個(gè)Sync類(lèi)就是一個(gè)繼承自AQS的子類(lèi)。通過(guò)在內(nèi)部類(lèi)Sync中重寫(xiě)了AQS的tryAcquireShared和tryReleaseShared兩個(gè)方法，我們就指定了AQS的行為策略，使其能夠符合我們對(duì)CountDownLatch功能的期望。這就是AQS的使用方法，下面我們來(lái)看一個(gè)大家可能會(huì)更熟悉的例子，來(lái)進(jìn)一步了解AQS在獨(dú)占模式下的用法。

可重入鎖ReentrantLock可以說(shuō)是我們的老朋友了，從最早的synchronized關(guān)鍵字開(kāi)始，我們就開(kāi)始使用類(lèi)似的功能了?？芍厝腈i的特點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：

同一時(shí)間只能有一個(gè)線程持有

如果我想保護(hù)一段代碼同一時(shí)間只能被一個(gè)線程所訪問(wèn)，比如對(duì)一個(gè)隊(duì)列的插入操作。那么如果有一個(gè)線程已經(jīng)獲取了鎖之后在修改隊(duì)列了，那么其他也想要修改隊(duì)列的線程就會(huì)陷入阻塞，等待之前的這個(gè)線程執(zhí)行完成。

同一線程可以對(duì)一個(gè)鎖重復(fù)獲取成功多次

而如果一個(gè)線程對(duì)同一個(gè)隊(duì)列執(zhí)行了兩個(gè)插入操作，那么第二次獲取鎖時(shí)仍然會(huì)成功，而不會(huì)被第一次成功獲取到的鎖所阻塞。

ReentrantLock類(lèi)的常用操作主要有三種：

獲取鎖，一個(gè)線程一旦獲取鎖成功后就會(huì)阻塞其他線程獲取同一個(gè)鎖的操作，所以一旦獲取失敗，那么當(dāng)前線程就會(huì)被阻塞

最簡(jiǎn)單的獲取鎖方法就是調(diào)用public void lock()方法

釋放鎖，獲取鎖之后就要在使用完之后釋放它，否則別的線程都將會(huì)因無(wú)法獲取鎖而被阻塞，所以我們一般會(huì)在finally中進(jìn)行鎖的釋放操作

可以通過(guò)調(diào)用ReentrantLock對(duì)象的unlock方法來(lái)釋放鎖

獲取條件變量，條件變量是和互斥鎖搭配使用的一種非常有用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有興趣的讀者可以通過(guò)《從0到1實(shí)現(xiàn)自己的阻塞隊(duì)列(上)》這篇文章來(lái)了解條件變量具體的使用方法

我們可以通過(guò)Condition newCondition()方法來(lái)獲取條件變量對(duì)象，然后調(diào)用條件變量對(duì)象上的await()、signal()、signalAll()方法來(lái)進(jìn)行使用

在ReentrantLock類(lèi)中存在兩種AQS的子類(lèi)，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了非公平鎖，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了公平鎖。所謂的“公平”指的就是獲取互斥鎖成功返回的時(shí)間會(huì)和獲取鎖操作發(fā)起的時(shí)間順序一致，例如有線程A已經(jīng)持有了互斥鎖，當(dāng)線程B、C、D按字母順序獲取鎖并進(jìn)入等待，線程A釋放鎖后一定是線程B被喚醒，線程B釋放鎖后一定是C先被喚醒。也就是說(shuō)鎖被釋放后對(duì)等待線程的喚醒順序和獲取鎖操作的順序一致。而且如果在這個(gè)過(guò)程中，有其他線程發(fā)起了獲取鎖操作，因?yàn)榈却?duì)列中已經(jīng)有線程在等待了，那么這個(gè)線程一定要排到等待隊(duì)列最后去，而不能直接搶占剛剛被釋放還未被剛剛被喚醒的線程鎖持有的鎖。

下面我們同樣先看一下ReentrantLock類(lèi)中定義的AQS子類(lèi)Sync的具體源代碼。下面是上一段說(shuō)到的非公平Sync類(lèi)和公平Sync類(lèi)兩個(gè)類(lèi)的共同父類(lèi)Sync的帶注釋源代碼，里面包含了大部分核心功能的實(shí)現(xiàn)。雖然下面包含了該類(lèi)完整的源代碼，但是我們現(xiàn)在只需要關(guān)心三個(gè)核心操作，也是我們?cè)讵?dú)占模式下需要重寫(xiě)的三個(gè)AQS方法：tryAcquire、tryRelease和isHeldExclusively。建議在看完文章之后再回來(lái)回顧該類(lèi)中其他的方法實(shí)現(xiàn)，直接跳過(guò)其他的方法當(dāng)然也是完全沒(méi)有問(wèn)題的。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;

    /**
     * 實(shí)現(xiàn)Lock接口的lock方法，子類(lèi)化的主要原因是為了非公平版本的快速實(shí)現(xiàn)         
     */
    abstract void lock();

    /**
     * 執(zhí)行非公平的tryLock。tryAcquire方法在子類(lèi)中被實(shí)現(xiàn)，但是兩者都需要非公平版本的trylock方法實(shí)現(xiàn)。
     */
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();

        // 如果鎖還未被持有
        if (c == 0) {
            // 通過(guò)CAS嘗試獲取鎖
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 如果鎖獲取成功則將鎖持有者改為當(dāng)前線程，并返回true
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }

        // 鎖已經(jīng)被持有，則判斷鎖的持有者是否是當(dāng)前線程
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 可重入鎖，如果鎖的持有者是當(dāng)前線程，那就在state上加上新的獲取數(shù)
            int nextc = c + acquires;

            // 判斷新的state值有沒(méi)有溢出
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");

            // 將新的state更新為新的值，因?yàn)榭梢赃M(jìn)入這段代碼的只有一個(gè)線程
            // 所以不需要線程安全措施
            setState(nextc);
            return true;
        }
        
        return false;
    }

    // 重寫(xiě)了AQS的獨(dú)占式釋放鎖方法
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // 計(jì)算剩余的鎖持有量
        // 因?yàn)橹挥挟?dāng)前線程持有該鎖的情況下才能執(zhí)行這個(gè)方法，所以不需要做多線程保護(hù)
        int c = getState() - releases;

        // 如果當(dāng)前線程未持有鎖，則直接拋出錯(cuò)誤
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();

        boolean free = false;
        // 如果鎖持有數(shù)已經(jīng)減少到0，則釋放該鎖，并清空鎖持有者
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }

        // 更新state值，只有state值被設(shè)置為0才是真正地釋放了鎖
        // 所以setState和setExclusiveOwnerThread之間不需要額外的同步措施
        setState(c);
        return free;
    }

    // 當(dāng)前線程是否持有該鎖
    protected final boolean isHeldExclusively() {
        return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
    }

    // 創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的條件變量
    final ConditionObject newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }

    // 從外層傳遞進(jìn)來(lái)的方法

    // 獲取當(dāng)前的鎖持有者
    final Thread getOwner() {
        return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
    }

    // 獲取鎖的持有計(jì)數(shù)
    // 如果當(dāng)前線程持有了該鎖則返回state值，否則返回0
    final int getHoldCount() {
        return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
    }

    // 判斷鎖是否已經(jīng)被持有
    final boolean isLocked() {
        return getState() != 0;
    }

}

實(shí)際的tryAcquire方法將在公平Sync類(lèi)與非公平Sync類(lèi)兩個(gè)子類(lèi)中實(shí)現(xiàn)，但是這兩個(gè)子類(lèi)都需要調(diào)用父類(lèi)Sync中的非公平版本的tryAcquire——nonfairTryAcquire方法。在這個(gè)方法中，我們主要做兩件事：

當(dāng)前鎖還未被人持有。在ReentrantLock中使用AQS的state來(lái)保存鎖的狀態(tài)，state等于0時(shí)代表鎖沒(méi)有被任何線程持有，如果state大于0，那么就代表持有者對(duì)該鎖的重復(fù)獲取次數(shù)

如果當(dāng)前鎖還未被線程持有，那么就會(huì)通過(guò)compareAndSetState來(lái)原子性地修改state值，修改成功則需要設(shè)置當(dāng)前線程為鎖的持有線程并返回true代表獲取成功；否則就返回

鎖已被當(dāng)前線程持有

在鎖已被當(dāng)前線程持有的情況下，就需要將state值加1代表持有者線程對(duì)鎖的重復(fù)獲取次數(shù)。

而對(duì)于獨(dú)占式釋放同步器的tryRelease方法，則在父類(lèi)Sync中直接實(shí)現(xiàn)了，兩個(gè)公平/非公平子類(lèi)調(diào)用的都是同一段代碼。首先，只有鎖的持有者才能釋放鎖，所以如果當(dāng)前線程不是所有者線程在釋放操作中就會(huì)拋出異常。如果釋放操作會(huì)將持有計(jì)數(shù)清零，那么當(dāng)前線程就不再是該鎖的持有者了，鎖會(huì)被完全釋放，而鎖的所有者會(huì)被設(shè)置為null。最后，Sync會(huì)將減掉入?yún)⒅械尼尫艛?shù)之后的新持有計(jì)數(shù)更新到AQS的state中，并返回鎖是否已經(jīng)被完全釋放了。

isHeldExclusively方法比較簡(jiǎn)單，它只是檢查鎖的持有者是否是當(dāng)前線程。

Sync的兩個(gè)公平/非公平子類(lèi)的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，下面是非公平版本子類(lèi)的源代碼。在非公平版本的實(shí)現(xiàn)中，調(diào)用lock方法首先會(huì)嘗試通過(guò)CAS修改AQS的state值來(lái)直接搶占鎖，如果搶占成功就直接將持有者設(shè)置為當(dāng)前線程；如果搶占失敗就調(diào)用acquire方法走正常流程來(lái)獲取鎖。而在acquire方法中就會(huì)調(diào)用子類(lèi)中的tryAcquire方法并進(jìn)一步調(diào)用到上文提到的父類(lèi)中的nonfairTryAcquire方法來(lái)完成鎖獲取操作。

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    /**
     * 執(zhí)行鎖操作。嘗試直接搶占，如果失敗的話就回到正常的獲取流程進(jìn)行
     */
    final void lock() {
        // 嘗試直接搶占
        if (compareAndSetState(0, 1))
            // 搶占成功設(shè)置鎖所有者
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 搶占失敗走正常獲取流程
            acquire(1);
    }

    // 實(shí)現(xiàn)AQS方法，使用nonfairTryAcquire實(shí)現(xiàn)
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

而在公平版本的Sync子類(lèi)FairSync中，為了保證成功獲取到鎖的順序一定要和發(fā)起獲取鎖操作的順序一致，所以自然不能在lock方法中進(jìn)行CAS方式的搶占，只能老老實(shí)實(shí)調(diào)用acquire方法走正式流程。而acquire方法最終就會(huì)調(diào)用子類(lèi)中定義的tryAcquire來(lái)真正獲取鎖。

在tryAcquire方法中，代碼主要處理了兩種情況：

當(dāng)前鎖還沒(méi)有被線程鎖持有

只有在確保等待隊(duì)列為空的情況下才能?chē)L試用CAS方式直接搶占鎖，而在等待隊(duì)列不為空的情況下，最后返回了false，之后acquire方法中的代碼會(huì)將當(dāng)前線程放入到等待隊(duì)列中阻塞等待鎖的釋放。這就保證了在獲取鎖時(shí)已經(jīng)有線程等待的情況下，任何線程都要進(jìn)入等待隊(duì)列去等待獲取鎖，而不能直接對(duì)鎖進(jìn)行獲取。

當(dāng)前線程已經(jīng)持有了該鎖

如果當(dāng)前線程已經(jīng)是該鎖的持有者了，那么就會(huì)在state值上加上本次的獲取數(shù)量來(lái)更新鎖的重復(fù)獲取次數(shù)，并返回true代表獲取鎖成功。

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

    // 直接使用acquire進(jìn)行獲取鎖操作
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    /**
     * 公平版本的tryAcquire方法。不要授予訪問(wèn)權(quán)限，除非是遞歸調(diào)用或者沒(méi)有等待線程或者這是第一個(gè)調(diào)用
     */
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();

        // 如果鎖沒(méi)有被持有
        if (c == 0) {
            // 為了實(shí)現(xiàn)公平特性，所以只有在等待隊(duì)列為空的情況下才能直接搶占
            // 否則只能進(jìn)入隊(duì)列等待
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }

        // 如果鎖已被持有，且當(dāng)前線程就是持有線程
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 計(jì)算新的state值
            int nextc = c + acquires;

            // 如果鎖計(jì)數(shù)溢出，則拋出異常
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");

            // 設(shè)置state狀態(tài)值
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

最后，我們來(lái)看看ReentrantLock類(lèi)中的lock()、unlock()、newCondition方法對(duì)Sync類(lèi)對(duì)象的使用方式。

首先是在構(gòu)造器中，根據(jù)入?yún)⒅付ǖ墓?非公平模式創(chuàng)建不同的內(nèi)部Sync類(lèi)對(duì)象，如果是公平模式就是用FairSync類(lèi)，如果是非公平模式就是用NonfairSync類(lèi)。

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

然后在互斥鎖的鎖定方法lock()中，ReentrantLock直接使用Sync類(lèi)中的lock方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了鎖的獲取功能。

public void lock() {
    // 調(diào)用sync對(duì)象的lock方法實(shí)現(xiàn)
    sync.lock();
}

在unlock()方法中也是一樣的情況，ReentrantLock直接依賴Sync類(lèi)對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

public void unlock() {
    // 調(diào)用了sync對(duì)象的release方法實(shí)現(xiàn)
    sync.release(1);
}

最后一個(gè)創(chuàng)建條件變量的方法則直接依賴于AQS中定義的方法，我們?cè)?b>ReentranctLock的Sync類(lèi)中并不需要做任務(wù)額外的工作，AQS就能為我們做好所有的事情。

public Condition newCondition() {
    // 調(diào)用了sync對(duì)象繼承自AQS的`newCondition`方法實(shí)現(xiàn)
    return sync.newCondition();
}

通過(guò)ReentrantLock的例子我們能夠更明顯地感受到，這些基于AQS實(shí)現(xiàn)同步功能的類(lèi)中并不需要做太多額外的工作，大多數(shù)操作都是通過(guò)直接調(diào)用Sync類(lèi)對(duì)象上的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要定義好了繼承自AQS的子類(lèi)Sync，并通過(guò)Sync類(lèi)重寫(xiě)幾個(gè)AQS的關(guān)鍵方法來(lái)指定AQS的行為策略，就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)格迥異的各種同步工具類(lèi)了。

在這篇文章中，我們從AQS的基本概念說(shuō)起，簡(jiǎn)單介紹了AQS的具體用法，然后通過(guò)CountDownLatch和ReentrantLock兩個(gè)常用的多線程同步工具類(lèi)的源碼來(lái)具體了解了AQS的使用方式。我們不僅可以完全弄明白這兩個(gè)線程同步類(lèi)的實(shí)現(xiàn)原理與細(xì)節(jié)，而且最重要的是找到了AQS這個(gè)幕后大BOSS。通過(guò)AQS，我們不僅可以更容易地閱讀并理解其他同步工具類(lèi)的使用與實(shí)現(xiàn)，而且甚至可以動(dòng)手開(kāi)發(fā)出我們自己的自定義同步工具類(lèi)。

到了這里，這一系列多線程編程相關(guān)的技術(shù)文章就接近尾聲了。后續(xù)我還會(huì)發(fā)布一篇囊括這個(gè)系列所有內(nèi)容的總結(jié)性文章，里面會(huì)對(duì)多線程編程相關(guān)的知識(shí)脈絡(luò)做一次全面的梳理，然后將每個(gè)知識(shí)點(diǎn)鏈接到具體闡釋這個(gè)主題的文章中去。讓讀者可以在宏觀和微觀兩個(gè)層面理解多線程編程的原理與技巧，幫助大家建立完整的Java多線程理論與實(shí)踐知識(shí)體系。有興趣的讀者可以關(guān)注一下后續(xù)的文章，感謝大家的支持。