目录导引：
一、简介
二、源码解析(JDK8)
三、运用示例
一、简介
1、volatile
volatile修饰的共享变量可以保证可见性和有序性（禁止指令重排序）。
2、CAS：
CAS的原理很简单，包含三个值当前内存值(V)、预期原来的值(A)以及期待更新的值(B)，
如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B,返回true。否则处理器不做任何操作，返回false。
要实现这个需求，java中提供了Unsafe类，它提供了三个函数，分别用来操作基本类型int和long，以及引用类型Object
public final native boolean compareAndSwapObject (Object obj, long valueOffset, Object expect, Object update); public final native boolean compareAndSwapInt (Object obj, long valueOffset, int expect, int update); public final native boolean compareAndSwapLong (Object obj, long valueOffset, long expect, long update);
obj 和 valueOffset：表示这个共享变量的内存地址。这个共享变量是obj对象的一个成员属性，valueOffset表示这个共享变量在obj类中的内存偏移量。所以通过这两个参数就可以直接在内存中修改和读取共享变量值。
expect: 表示预期原来的值。
update: 表示期待更新的值。
可以看出上面的方法都是native方法，比较替换的原子性是由硬件保证的，可能是由JVM调用Atomic::cmpxchg函数执行CAS操作，也可能对内存的总线加锁实现。
关于CAS实现的详细介绍可以参与文章：https://www.iteye.com/blog/lobin-2311755
3、AQS(AbstractQueuedSynchronizer)
AQS也称队列同步器，核心思想是基于volatile int state变量，配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前state状态值进行修改。
同步器内部依赖一个FIFO的双向队列来完成资源获取线程的排队工作。
同步器主要使用方式是继承，子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态，对同步状态的修改或者访问主要通过同步器提供的3个方法：
getState() 获取当前的同步状态
setState(int newState) 设置当前同步状态
compareAndSetState(int expect,int update) 使用CAS设置当前状态,该方法能够保证状态设置的原子性
同步器可以支持独占式的获取同步状态，也可以支持共享式的获取同步状态，这样可以方便实现不同类型的同步组件,利用同步器实现锁的语义。
同步状态设计如图所示：
二、源码解析(JDK8)
由于很多方法复用，故只在第一次调用方法时贴出源码分析。
内部类Node：
static final class Node { /** 分享模式节点 */ static final Node SHARED = new Node(); /** 独占模式节点 */ static final Node EXCLUSIVE = null; /** 节点等待状态：线程已取消 */ static final int CANCELLED = 1; /** 节点等待状态：需要唤醒后继节点 */ static final int SIGNAL = -1; /** 节点等待状态：处于等待队列 */ static final int CONDITION = -2; /** 节点等待状态：共享式同步状态将会无条件的传播下去 */ static final int PROPAGATE = -3; /** 节点的等待状态 */ volatile int waitStatus; /** 前驱节点 */ volatile Node prev; /** 后继节点 */ volatile Node next; /** 节点关联的线程 */ volatile Thread thread; /** 后继节点，有两种情况。 1、共享式同步队列时，都存放同一个final对象SHARED。 2、等待队列时，存放下一个Node */ Node nextWaiter; /** 是否是分享模式节点 */ final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } /** 获取前驱节点 */ final Node predecessor() throws NullPointerException { Node p = prev; if (p == null) throw new NullPointerException(); else return p; } /** 构造器：初始化head或者SHARED节点 */ Node() { } /** 构造器：新增同步队列节点 */ Node(Thread thread, Node mode) { this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } /** 构造器：新增等待队列节点 */ Node(Thread thread, int waitStatus) { this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; } }
内部类ConditionObject：
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; /** 等待队列的首节点（等待队列是单向队列，通过Node的nextWaiter进行遍历，首节点是第一个阻塞的线程） */ private transient Node firstWaiter; /** 等待队列的尾节点 */ private transient Node lastWaiter; public ConditionObject() { } /** 加入等待队列的尾节点 */ private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { /** 如果尾节点等待状态是cancelled，则清除一次队列所有的cancelled节点 */ unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } /** 新增节点，如果队列没有初始化则初始化一个首位相等的队列，否则放入队尾 */ Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; } /** 唤醒首节点线程 */ private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; /** 转移节点到同步队列中，并唤醒后继线程 */ } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); } /** 清除一次等待队列所有的cancelled节点 */ private void unlinkCancelledWaiters() { Node t = firstWaiter; Node trail = null; while (t != null) { Node next = t.nextWaiter; if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { t.nextWaiter = null; if (trail == null) firstWaiter = next; else trail.nextWaiter = next; if (next == null) lastWaiter = trail; } else trail = t; t = next; } } /** 唤醒线程 */ public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) /** 如果等待队列首节点不为空，则唤醒首节点线程 */ doSignal(first); } /** 自我中断标记 */ private static final int REINTERRUPT = 1; /** 抛出中断异常标记 */ private static final int THROW_IE = -1; /** 节点从等待队列转移到同步队列，如果线程被中断，则返回中断标记 */ private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) { return Thread.interrupted() ? (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0; } /** 抛出中断异常或者自我中断 */ private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException { if (interruptMode == THROW_IE) throw new InterruptedException(); else if (interruptMode == REINTERRUPT) selfInterrupt(); } /** 线程等待 */ public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); /** 加入等待队列 */ Node node = addConditionWaiter(); /** 释放同步状态，并唤醒后继节点 */ int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; while (!isOnSyncQueue(node)) { /** 如果节点不在同步队列中，则挂起线程 */ LockSupport.park(this); /** 节点从等待队列转移到同步队列，如果没有中断，则跳出循环 */ if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } /** 被唤醒或者被中断的线程竞争获取同步状态 */ if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled /** 清除一次队列所有的cancelled节点 */ unlinkCancelledWaiters(); /** 如果有中断标记，则抛出中断异常或者自我中断 */ if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); } }
ConditionObject用到的方法：
/** 释放同步状态 */ final int fullyRelease(Node node) { boolean failed = true; try { int savedState = getState(); /** 释放同步状态，并唤醒后继节点 */ if (release(savedState)) { failed = false; return savedState; } else { throw new IllegalMonitorStateException(); } } finally { /** 失败则将节点设置为CANCELLED状态 */ if (failed) node.waitStatus = Node.CANCELLED; } } /** 判断节点是否在同步队列中 */ final boolean isOnSyncQueue(Node node) { /** 同步队列中节点状态如果是CONDITION，则在下一次自旋中会变成SIGNAL，如果状态为CONDITION说明不在队列中 除了head节点，同步队列的其他节点的前驱节点都不为null */ if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) return false; /** 如果有后继节点，则一定是入队了 */ if (node.next != null) return true; /** 节点状态不是CONDITION，前驱节点不为null，后继节点为null，则可能是tail节点，遍历队列寻找 */ return findNodeFromTail(node); } /** 设置节点等待状态为0，并转移到同步队列 */ final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) { if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) { enq(node); return true; } /** 如果cas失败，说明节点可能在入队的过程中，等待入队完成 */ while (!isOnSyncQueue(node)) Thread.yield(); return false; }
成员属性：
/** 同步队列：头节点 */ private transient volatile Node head; /** 同步队列：尾节点 */ private transient volatile Node tail; /** 同步状态 */ private volatile int state; /** 超时时间 */ static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L; /** CAS各字段的long值属性 */ private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); private static final long stateOffset; private static final long headOffset; private static final long tailOffset; private static final long waitStatusOffset; private static final long nextOffset; static { try { stateOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state")); headOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head")); tailOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail")); waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset (Node.class.getDeclaredField("waitStatus")); nextOffset = unsafe.objectFieldOffset (Node.class.getDeclaredField("next")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } }
核心方法-独占式获取同步状态：
/** 独占式获取同步状态 */ public final void acquire(int arg) { /** 先尝试获取同步状态（由子类实现），成功则直接返回， 失败则新增一个当前线程的独占式的Node，自旋加入队尾，然后自旋获取同步状态，并返回中断标记 如果中断过，则自我中断*/ if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } /** 入队 */ private Node addWaiter(Node mode) { /** 新建一个Node，持有当前线程的引用 */ Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; /** 如果队列不为空，先尝试一次快速入队： 新增Node的前驱节点指向原tail节点， 然后尝试cas更新tail的引用为新增Node， 最后把原tail节点的后继节点指向新增Node */ if (pred != null) { node.prev = pred; /** 并发安全点：只有一个线程能更新成功，因为tail节点已经变更，其他线程都会失败 */ if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } /** 程序进到这里，说明同步队列未初始化，或者cas更改失败，则采用自旋方式入队 */ enq(node); return node; } /** 自旋入队 */ private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; /** 如果队列未初始化，则采用cas方式新增一个Node，并使头尾节点相同 */ if (t == null) { /** 并发安全点：只有一个线程能初始化队列成功，因为head节点已经不为null，其他线程都会失败，自旋 */ if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { /** 如果队列已经初始化，则采用cas方式尝试入队 */ node.prev = t; /** 并发安全点：只有一个线程能更新成功，因为tail节点已经变更，其他线程都会失败，自旋 */ if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } } /** 自旋获取同步状态 */ final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); /** 如果当前节点的前驱节点是head节点，说明前驱节点可能已经释放了同步状态，并唤醒了自己， 则尝试去获取同步状态，如果获取同步状态成功，则设置当前节点为head节点， 设置当前节点的前驱节点（原head节点）为null，并设置原head节点的后继节点为null，使原head节点被GC */ if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; failed = false; return interrupted; } /** 如果发现前驱节点不是head节点，或者获取同步状态失败， 则判断是否需要挂起当前线程， 如果需要挂起，则挂起当前线程，并检查中断状态，只要被中断过一次，就设置中断标志位为true 线程在此处挂起，如果被唤醒，则自旋 */ if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { /** 正常情况下，不断自旋，failed的值会是false，只有子类实现的tryAcquire()方法抛出异常时，才会触发下面的逻辑，则把该节点置为取消状态*/ if (failed) cancelAcquire(node); } } /** 判断是否需要挂起当前线程 */ private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; /** 如果前驱节点的等待状态为SIGNAL，则表示前驱节点释放同步状态后会唤醒自己，可以放心的挂起了 */ if (ws == Node.SIGNAL) return true; /** 如果前驱节点的等待状态为CANCELLED，则表示前驱节点被取消了，则往前找第一个没有被取消的节点 */ if (ws > 0) { do { /** 原队列 * pp --> pred --> node * pp <-- pred <-- node * 处理 * pred = pp * node.prev = pp * pp.next = node * 新队列 * pp <-- node * pp --> node * 使取消的Node断开队列引用，被GC，如果下一个前驱节点也被取消，则继续循环 */ node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /** 如果前驱节点的等待状态为0或者PROPAGATE，则设置前驱节点为SIGNAL，告诉它记得唤醒我，这一步可以失败。 前驱节点状态不可能为CONDITION，因为从等待队列转移到同步队列之前，已经更新等待状态为SIGNAL */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } /** 如果前驱节点等待状态是CANCELLED或者前驱节点的等待状态cas更新为SIGNAL失败，则返回false，进入外层的自旋 直到前驱节点的等待状态更新为SIGNAL，才能返回true进入后续的挂起线程处理 */ return false; } /** 挂起线程，并检查线程是否中断 */ private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); } /** 节点置为取消状态 */ private void cancelAcquire(Node node) { if (node == null) return; node.thread = null; Node pred = node.prev; /** 找到最近的不是取消的前驱节点 */ while (pred.waitStatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; Node predNext = pred.next; /** 节点更新为取消状态 */ node.waitStatus = Node.CANCELLED; /** 如果节点是tail节点，则把前驱节点设置为tail节点 */ if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { compareAndSetNext(pred, predNext, null); } else { int ws; /** 如果前驱节点不是head节点 并且前驱节点的等待状态为SIGNAL或者<0的时候更新为SIGNAL成功 并且前驱节点的线程不是null，则设置前驱节点的后继节点为当前节点的后继节点， 否则直接唤醒后继线程 */ if (pred != head && ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && pred.thread != null) { Node next = node.next; if (next != null && next.waitStatus <= 0) compareAndSetNext(pred, predNext, next); } else { unparkSuccessor(node); } /** 这里之所以不设置为null，主要是Condition部分中有判断是否转移到了同步队列用到了node.next!=null断言入队成功， 指向自己同样不符合根可达，符合被GC条件 */ node.next = node; } } /** 唤醒下一个线程 */ private void unparkSuccessor(Node node) { /** 尝试将node的等待状态置为0,这样的话,后继争用线程可以有机会再尝试获取一次锁 */ int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s = node.next; /** 下一个节点为空或者等待状态为已取消，则从tail节点开始向前找到最近的非取消节点 */ 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; } /** 下一个节点不为空且等待状态不是已取消，则唤醒该线程 */ if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }
释放独占式同步状态：
/** 释放同步状态 */ public final boolean release(int arg) { /** 因为线程已经获取了同步状态，所以释放同步状态应该返回true */ if (tryRelease(arg)) { Node h = head; /** 如果head节点不为空，且不是初始节点，则唤醒下一节点。因为不会是取消节点，所以等价于<0 */ if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } /** 唤醒下一个线程 */ private void unparkSuccessor(Node node) { /** 尝试将node的等待状态置为0,这样的话,后继争用线程可以有机会再尝试获取一次锁 */ int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s = node.next; /** 下一个节点为空或者等待状态为已取消，则从tail节点开始向前找到最近的非取消节点 */ 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; } /** 下一个节点不为空且等待状态不是已取消，则唤醒该线程 */ if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }
核心方法-共享式获取同步状态：
/** 共享式获取同步状态 */ public final void acquireShared(int arg) { /** 先尝试一次获取同步状态，子类实现时，返回负数表示获取失败，如果失败则自旋获取同步状态; 返回0表示成功，但是后继争用线程不会成功; 返回正数表示获取成功，并且后继争用线程也可能成功 */ if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg); } /** 自旋获取同步状态 */ private void doAcquireShared(int arg) { /** 把Node节点加入同步队列队尾 */ final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); /** 如果前置节点是head节点，并且获取同步状态成功，则设置head节点，并向后传播 */ if (p == head) { int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; if (interrupted) selfInterrupt(); failed = false; return; } } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } /** 设置head节点，向后传播 */ private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { /** 保存原head节点 */ Node h = head; /** 设置新head节点 */ setHead(node); /** 如果返回的propagate>0或者原head节点等待状态<0或者新head节点的等待状态<0，则唤醒下一个线程 */ if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 || (h = head) == null || h.waitStatus < 0) { Node s = node.next; if (s == null || s.isShared()) doReleaseShared(); } } /** 设置head节点 */ private void setHead(Node node) { head = node; /** 关联线程和前驱节点都没有意义了，设置为null，便于后续GC */ node.thread = null; node.prev = null; } /** 唤醒下一个线程 */ private void doReleaseShared() { for (;;) { Node h = head; if (h != null && h != tail) { int ws = h.waitStatus; /** 如果head节点的等待状态为SIGNAL，则cas更新为0后，唤醒下一个线程 */ if (ws == Node.SIGNAL) { if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; unparkSuccessor(h); } /** 如果head节点的等待状态已经被别的线程更新为0，则cas更新状态为PROPAGATE，表明需要传播唤醒 */ else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; } /** 检查h是否仍然是head，如果不是的话需要再进行循环 */ if (h == head) break; } }
释放共享式同步状态：
/** 释放同步状态 */ public final boolean releaseShared(int arg) { /** 因为线程已经获取了同步状态，所以释放同步状态应该返回true */ if (tryReleaseShared(arg)) { /** 唤醒下一个线程 */ doReleaseShared(); return true; } return false; }
三、运用示例
占位置