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我们常常在当下感到时间慢，觉得未来遥远，但一旦回头看，时间已经悄然流逝。对于未来，尽管如此，也应该保持一种从容的态度，相信未来仍有许多可能性等待着我们。

前言

在Java并发编程中，AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是整个JUC并发包的基石。而理解AQS的关键，就在于深入掌握其内部类Node的设计原理。Node不仅是构成AQS同步队列和条件队列的基本单元，更是整个同步机制状态流转的核心载体。本文将带大家深入剖析Node类的源码结构，详细解析每个字段的含义，并重点探讨waitStatus状态机的工作原理。

Node类的整体结构

Node类是AQS的内部类，位于java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中。它作为AQS队列的基本节点，承担着线程封装、状态管理和队列链接的重要职责。

 static final class Node {
     // 节点模式常量
     static final Node SHARED = new Node();
     static final int CANCELLED =  1;
     static final int SIGNAL    = -1;
     static final int CONDITION = -2;
     static final int PROPAGATE = -3;
 ​
     // 节点字段
     volatile int waitStatus;
     volatile Node prev;
     volatile Node next;
     volatile Thread thread;
     Node nextWaiter;
     
     // 构造方法和其他方法...
 }

核心字段深度解析

1. 线程引用（thread）

volatile Thread thread字段保存了被封装在节点中的线程引用。当线程尝试获取锁失败时，AQS会将该线程包装成Node节点加入到同步队列中。

设计意义：

• 实现了线程与队列节点的绑定

• 为后续的线程唤醒提供目标对象

• volatile修饰确保了线程间的可见性

2. 等待状态（waitStatus）

volatile int waitStatus是Node类中最重要的字段，它是一个状态机，控制着节点的生命周期和行为模式。waitStatus包含以下几种状态：

CANCELLED (1)

表示节点已被取消。当线程等待超时或被中断时，节点会进入此状态。一旦进入CANCELLED状态，节点将不再参与同步竞争。

状态迁移场景：

• 等待超时（如tryAcquireNanos）

• 线程被中断且响应中断

• 获取锁过程中发生异常

SIGNAL (-1)

这是同步队列中最常见的状态。表示当前节点的后继节点需要被唤醒。当一个节点的waitStatus为SIGNAL时，它在释放锁时有责任唤醒其后继节点。

工作机理：

 // 在shouldParkAfterFailedAcquire方法中的典型应用
 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
     int ws = pred.waitStatus;
     if (ws == Node.SIGNAL)
         return true; // 前驱节点为SIGNAL，当前线程可以安全阻塞
     if (ws > 0) {
         // 跳过已取消的前驱节点
         do {
             node.prev = pred = pred.prev;
         } while (pred.waitStatus > 0);
         pred.next = node;
     } else {
         // 将前驱节点状态设置为SIGNAL
         compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
     }
     return false;
 }

CONDITION (-2)

表示节点处于条件队列中。该状态与ConditionObject配合使用，用于实现条件变量功能。

特点：

• 节点从同步队列转移到条件队列时状态变为CONDITION

• 处于CONDITION状态的节点不会参与同步竞争

• 当条件满足时，节点从条件队列转移回同步队列，状态重置为0

PROPAGATE (-3)

仅在共享模式下使用，表示后续的acquireShared操作应该无条件传播。这个状态主要用于解决共享锁传播的竞争条件。

典型应用场景： 在doReleaseShared方法中，当头节点状态从SIGNAL变为0后，如果检测到有后续的共享节点，会将状态设置为PROPAGATE以确保传播继续。

状态0

初始状态，表示节点刚被创建还未进入任何特定状态。

3. 前驱与后继指针（prev & next）

volatile Node prev和volatile Node next构成了AQS同步队列的双向链表结构。

设计考量：

• 双向链表：便于节点的删除操作，特别是在处理CANCELLED节点时

• volatile修饰：确保多线程环境下的内存可见性

• CAS操作：所有指针修改都通过CAS保证原子性

4. 下一个等待条件（nextWaiter）

Node nextWaiter字段有两种用途：

1. 在条件队列中，指向条件队列中的下一个等待节点

2. 在同步队列中，用于标识节点模式（SHARED或EXCLUSIVE）

5. 节点模式（SHARED/EXCLUSIVE）

通过isShared()方法判断节点模式：

 final boolean isShared() {
     return nextWaiter == SHARED;
 }

两种模式对比：

模式	标识	应用场景	唤醒策略
独占模式	EXCLUSIVE	ReentrantLock等	只唤醒一个后继节点
共享模式	SHARED	Semaphore、CountDownLatch等	传播式唤醒多个节点

waitStatus状态机的工作原理

状态流转图

waitStatus的状态流转是一个典型的状态机模式，理解这个状态机是掌握AQS的关键。

SIGNAL状态的核心作用

SIGNAL状态的设计体现了AQS的"责任链"思想。每个节点都对其后继节点负有通知责任：

1. 设置SIGNAL：在获取锁失败后，线程会将前驱节点的waitStatus设置为SIGNAL

2. 检查SIGNAL：线程在阻塞前会检查前驱节点是否为SIGNAL状态

3. 履行通知义务：节点释放锁时，如果检测到SIGNAL状态，会唤醒后继节点

这种设计确保了同步队列的可靠性和高效性。

PROPAGATE状态的精妙之处

PROPAGATE状态解决了共享模式下的一种极端竞争条件。考虑以下场景：

1. 线程A释放共享锁，将头节点状态从SIGNAL改为0

2. 线程B此时获取共享锁成功，但在设置新头节点前被挂起

3. 线程C也来释放锁，看到头节点状态为0，认为不需要传播

4. 如果没有PROPAGATE状态，等待的线程可能无法被及时唤醒

PROPAGATE状态的确立确保了共享锁传播的连续性。

实际应用中的注意事项

1. 节点取消的优化处理

在节点取消时，AQS会执行清理操作，跳过所有CANCELLED状态的节点：

 private void cancelAcquire(Node node) {
     if (node == null)
         return;
     
     node.thread = null;
     Node pred = node.prev;
     while (pred.waitStatus > 0)
         node.prev = pred = pred.prev;
     
     // 详细的清理逻辑...
 }

2. 条件队列与同步队列的转换

当调用Condition.signal()时，节点会从条件队列转移到同步队列，同时状态从CONDITION变为0：

 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;
 }

总结

Node作为AQS的核心内部类，通过精巧的状态设计和指针管理，构建了一套高效、可靠的同步机制。waitStatus状态机不仅是节点状态的真实反映，更是整个AQS同步逻辑的指挥棒。深入理解Node的工作原理，对于掌握Java并发编程、诊断并发问题、甚至设计自己的同步器都具有重要意义。

通过对Node源码的剖析，我们不仅看到了Doug Lea大师精湛的设计功力，更能体会到优秀并发设计的核心思想：通过状态机的精确控制和责任链的明确划分，在保证正确性的前提下最大化性能。

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