Java并发编程总结3——AQS、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock

本文内容主要总结自《Java并发编程的艺术》第5章——Java中的锁。

一、AQS

AbstractQueuedSynchronizer(简称AQS)，队列同步器，是用来构建锁或者其他同步组建的基础框架。该类主要包括：

1、模式，分为共享和独占。

2、volatile int state，用来表示锁的状态。

3、FIFO双向队列，用来维护等待获取锁的线程。

AQS部分代码及说明如下：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

    static final class Node {
        /** 共享模式，表示可以多个线程获取锁，比如读写锁中的读锁 */
        static final Node SHARED = new Node();
        /** 独占模式，表示同一时刻只能一个线程获取锁，比如读写锁中的写锁 */
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        volatile Node prev;
        volatile Node next;
        volatile Thread thread;
    }

    /** AQS类内部维护一个FIFO的双向队列，负责同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败时，同步器会将当前线程以及等待状态等
        构造成一个节点Node并加入同步队列；当同步状态释放时，会把首节点中线程唤醒，使其再次尝试同步状态 */
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;

    /** 状态，主要用来确定lock是否已经被占用；在ReentrantLock中，state=0表示锁空闲，>0表示锁已被占用；可以自定义，改写tryAcquire(int acquires)等方法即可  */
    private volatile int state;
}

这里主要说明下双向队列，通过查看源码分析，队列是这个样子的：

head -> node1 -> node2 -> node3(tail)

注意：head初始时是一个空节点(所谓的空节点意思是节点中没有具体的线程信息)，之后表示的是获取了锁的节点。因此实际上head->next(即node1)才是同步队列中第一个可用节点。

AQS的设计基于模版方法模式，使用者通过继承AQS类并重写指定的方法，可以实现不同功能的锁。可重写的方法主要包括：

二、通过ReentrantLock学习AQS的使用

1、公平锁的获取

/**
 * Sync object for fair locks
 */
static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    /**
     * 首先尝试获取锁，如果tryAcquire(arg)返回true，获取锁成功；
     * 如果失败，则调用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，将当前线程封装成Node节点加入到同步队列队尾，之后阻塞当前线程
     */
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

    /**
     * 获取state的值，如果等于0表示锁空闲，可以尝试获取；
     * 查看当前线程是否是FIFO队列中的第一个可用节点，如果是第一个，则尝试通过CAS方式获取锁, 这保证了等待时间最长的必定先获取锁
     */
    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;
    }
　　
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                /**
                 * 如果发现当前节点的前一个节点为head，那么尝试获取锁，成功之后删除head节点并将自己设置为head，退出循环；
                 * 如果当前节点为阻塞状态，需要unpark()唤醒，release()方法会执行唤醒操作
                 */
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                /**
                 * 为了避免无意义的自旋，同步队列中的线程会通过park(this)方法用于阻塞当前线程
                 */
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
}

2、公平锁的释放

更新状态值state，之后唤醒同步队列中的第一个等待节点，unparkSuccessor(Node node)。

三、公平锁和非公平锁

ReentrantLock默认的锁为非公平锁，其主要原因在于：与公平锁相比，可以避免大量的线程切换，极大的提高性能。

先看一个非公平锁的例子：

public class AQS2 {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
    private Thread[] threads = new Thread[3];

    public AQS2() {
        for (int i = 0; i < 3 ; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 2; i++) {
                        try {
                            lock.lock();
                            Thread.sleep(100);
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        } finally {
                            lock.unlock();
                        }
                    }
                }
            });
        }
    }

    public void startThreads() {
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        AQS2 aqs2 = new AQS2();
        aqs2.startThreads();
    }
}

运行结果为：

这段代码（每个线程2次获取锁/释放锁）的运行结果我一开始没有想清楚，之前我是这么想的：

Thread0先获取锁，之后sleep 100ms，那么等待获取锁的同步队列为：

head -> thread1 -> thread2 -> thread0 -> thread1 -> thread2。

从运行结果可知，第二次获取锁的还是thread0，但是锁的释放release(int args)却总是从同步队列的第一个可用节点开始，那就把thread1从队列中移除了，逻辑明显不对了。

后来重新看了代码，比较了非公平锁和公平锁之间的不同时，才终于明白。

非公平锁获取锁最大的不一样的地方在于：线程可以无视sync同步队列插队！一旦插队成功，获得了锁，那么该线程当然也就不用在排队了。所以以上程序的同步队列应该为:

head -> thread1 -> thread2。

非公平锁源代码主要的不同点有2点：

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

       //不同点1
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }

    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {        //不同点2
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

thread0第一次释放锁之后，会立刻通过lock.lock()操作继续尝试获取锁。非公平锁的lock()方法会直接尝试获取锁，无视同步队列，因此很大概率会再次获得锁；如果失败了，那么执行nonfairTryAcquire(int acquires)方法，该方法和tryAcquire(int acquires)最大的不同在于，缺少了hasQueuedPredecessors()的判断，即不需要判断当前线程是否是同步队列的第一个可用节点，甚至也不需要判断当前线程是否在同步队列中，直接尝试获取锁即可。

四、ReentrantReadWriteLnock

理解了AQS的原理后，读写锁也就不难理解了。读写锁分为2个锁，读锁和写锁。读锁在同一时刻允许多个线程访问，通过改写int tryAcquireShared(int arg)以及boolean tryReleaseShared(int arg)方法即可；写锁为独占锁，通过改写boolean tryAcquire(int arg)以及boolean tryRelease(int arg)方法即可。

由于AQS中只提供了一个int state来表示锁的状态，那么如何表示读和写2个锁呢？解决办法是前16位表示读锁，后16位表示写锁。由于锁的状态只有16位，因此无论是对于读锁或者是写锁，其state最大值均为65535，即所有获得了锁的线程的拿到锁的总次数(由于是重进入锁，因此每个线程可以拿到n个锁)不超过65536。由于读写锁主要的应用场景为多读少写，所以如果感觉读锁的65535不够用，可以自己改写读写锁即可，比如分配int state的前24位为读锁，后8位为写锁。

读写锁还提供了一些新的方法，比如final int getReadHoldCount()，返回当前线程获取读锁的次数。由于读状态保存的是所有获取读锁的线程读锁次数的总和，因此每个线程自己的读锁次数需要单独保存，引入了ThreadLocal，由线程自身维护。