重大發現，AQS加鎖機制竟然跟Synchronized有驚人的相似

在並發多線程的情況下，為了保證數據安全性，一般我們會對數據進行加鎖，通常使用Synchronized或者ReentrantLock同步鎖。Synchronized是基於JVM實現，而ReentrantLock是基於Java代碼層面實現的，底層是繼承的AQS。

AQS全稱AbstractQueuedSynchronizer，即抽象隊列同步器，是一種用來構建鎖和同步器的框架。

我們常見的並發鎖ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基於AQS實現的，所以說不懂AQS實現原理的，就不能說了解Java鎖。

當我仔細研究AQS底層加鎖原理，發現竟然跟Synchronized加鎖原理有驚人的相似。讓我突然想到一句名言，記不清怎麼說了，意思是框架底層原理很相似，大家多學習底層原理。

Synchronized的加鎖流程在前幾篇文章已經詳細講過，沒看過一塊再溫習一下。

1. Synchronized加鎖流程

我們先想一下Synchronized的加鎖需求，如果讓你設計Synchronized的對象鎖存儲結構，該怎麼設計？

  1. 多個線程執行到Synchronized代碼塊，只有一個線程獲取鎖，然後執行同步代碼塊（需要記錄哪個線程獲取了對象鎖）。
  2. 其他線程被阻塞（被阻塞的線程，是不是可以用鏈表設計個阻塞隊列？）
  3. 持有鎖的線程調用wait方法，釋放鎖，等待被喚醒（等待的線程，是不是可以用鏈表設計個等待隊列？）。
  4. 被阻塞的線程開始競爭鎖
  5. 調用notify方法，喚醒等待的線程，被喚醒的線程進入阻塞隊列，一塊競爭鎖。

上面描述了Synchronized的加鎖流程，Synchronized的對象鎖存儲結構是不是跟咱們想的一樣？實際就是的。

下面是對象鎖的存儲數據結構（由C++實現）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 持有鎖的線程
    _WaitSet      = NULL; // 等待隊列，存儲處於wait狀態的線程
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 阻塞隊列，存儲處於等待鎖block狀態的線程
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

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上圖展示了對象鎖的基本工作機制：

  1. 當多個線程同時訪問一段同步代碼時，首先會進入 _EntryList隊列中阻塞。

  2. 當某個線程獲取到對象的對象鎖後進入臨界區域，並把對象鎖中的 _owner變量設置為當前線程，即獲得對象鎖。

  3. 若持有對象鎖的線程調用 wait() 方法，將釋放當前持有的對象鎖，_owner變量恢復為null，同時該線程進入 _WaitSet 集合中等待被喚醒。

  4. 在_WaitSet集合中的線程被喚醒，會被再次放到_EntryList隊列中，重新競爭獲取鎖。

  5. 若當前線程執行完畢也將釋放對象鎖並複位變量的值，以便其他線程進入獲取鎖。

Synchronized對象鎖存儲結構和加鎖流程，竟然跟咱們想的一樣。

再看一下AQS的存儲結構和加鎖流程，有沒有相似的地方。

2. AQS加鎖原理

先分析一下，我們使用AQS的加鎖需求：

  1. 多個線程執行到acquire方法的時候，只有一個線程獲取鎖，然後執行同步代碼塊（需要記錄哪個線程獲取了對象鎖）。
  2. 其他線程被阻塞（被阻塞的線程，是不是可以用鏈表設計個阻塞隊列？名叫」同步隊列「？）
  3. 持有鎖的線程調用await方法，釋放鎖，等待被喚醒（等待的線程，是不是可以用鏈表設計個等待隊列？名叫」條件隊列「？）。
  4. 被阻塞的線程開始競爭鎖
  5. 調用signal方法，喚醒等待的線程，被喚醒的線程進入阻塞隊列，一塊競爭鎖。

AQS的需求跟Synchronized一模一樣。

我們再看一下AQS實際的加鎖機制是怎麼設計的？是不是跟Synchronized相似？

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AQS的加鎖流程並不複雜，只要理解了同步隊列和條件隊列，以及它們之間的數據流轉，就算徹底理解了AQS。

  1. 當多個線程競爭AQS鎖時，如果有個線程獲取到鎖，就把ower線程設置為自己
  2. 沒有競爭到鎖的線程，在同步隊列中阻塞（同步隊列採用雙向鏈表，尾插法）。
  3. 持有鎖的線程調用await方法，釋放鎖，追加到條件隊列的末尾（條件隊列採用單鏈表，尾插法）。
  4. 持有鎖的線程調用signal方法，喚醒條件隊列的頭節點，並轉移到同步隊列的末尾。
  5. 同步隊列的頭節點優先獲取到鎖

可以看到AQS和Synchronized的加鎖流程幾乎是一模一樣的，AQS中同步隊列就是Synchronized中EntryList，AQS中條件隊列就是Synchronized中的waitSet，兩個隊列之間的數據轉移流程也是一樣的。

3. 總結

AQS跟Synchronized的加鎖流程是一樣的，都是通過同步隊列和條件隊列實現的，阻塞狀態的線程被放到同步隊列中，等待狀態的線程被放到條件隊列中，從條件隊列喚醒的線程又被轉移到同步隊列末尾，一塊競爭鎖。

看完AQS加鎖流程，還沒有人不懂AQS的？

下篇文章再講一下AQS加鎖具體的源碼實現。裏面有很多精巧的設計，值得我們學習。

比如：

為什麼同步隊列要設計成雙向鏈表？而條件隊列要設計成單鏈表？

為什麼AQS加鎖性能這麼好（樂觀鎖CAS使用）？

同步隊列和條件隊列中節點怎麼用一個對象實現？

釋放鎖後，怎麼喚醒同步隊列中線程？

我是「一燈架構」，如果本文對你有幫助，歡迎各位小夥伴點贊、評論和關注，感謝各位老鐵，我們下期見

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