深入理解Java并发框架AQS系列（三）：独占锁（Exclusive Lock）

一、前言

优秀的源码就在那里

经过了前面两章的铺垫，终于要切入正题了，本章也是整个AQS的核心之一

从本章开始，我们要精读AQS源码，在欣赏它的同时也要学会质疑它。当然本文不会带着大家逐行过源码（会有“只在此山中，云深不知处”的弊端），而是从功能入手，对其架构进行逐层剖析，在核心位置重点解读，并提出质疑；虽然AQS源码读起来比较“跳”，但我还是建议大家花时间及精力去好好读它

本章我们采用经典并发类ReentrantLock来阐述独占锁

二、整体回顾

独占锁，顾名思义，即在同一时刻，仅允许一个线程执行同步块代码。好比一伙儿人想要过河，但只有一根独木桥，且只能承受一人的重量

相信我们平时写独占锁的程序大抵是这样的：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {
  lock.lock();
  doBusiness();
} finally {
  lock.unlock();
}

上述代码分为三部分：

• 加锁 lock.lock()
• 执行同步代码 doBusiness()
• 解锁 lock.unlock()

加锁部分，一定是众矢之的，兵家争抢的要地，对于高并发的程序来说，同一时刻，大量的线程争相涌入，而lock()则保证只能有一个线程进入doBusiness()逻辑，且在其执行完毕unlock()方法之前，不能有其他线程进入。所以相对而言，unlock()方法相对轻松，不用处理多线程的场景

2.1、waitStatus

本章中，我们引入节点中一个关键的字段waitStatus（后文简写为ws），在独占锁模式中，可能会使用到的等待状态如下：

• 1、0
  • 初始状态，当一个节点新建时，其默认ws为0
• 2、SIGNAL (-1)
  • 如果某个节点的状态为SIGNAL，即表明其后续节点处于（或即将处于）阻塞状态。所以当前节点在执行完同步代码或被取消后，一定要记得唤醒其后续节点
• 3、CANCELLED (1)
  • 顾名思义，即取消操作的含义。当一个节点等待超时、或者被打断、或者执行tryAcquire发生异常，都会导致当前节点取消。而当节点一旦取消，便永远不会再变为0或者SIGNAL状态了

三、加锁（核心）

我们先上一张ReentrantLock加锁功能（非公平）的整体流程图，在并发或关键部分有注释

第一眼看上去，确实有点复杂，不过不用怕，我们逐一分析解读后，它其实就是只纸老虎

大体上可以分为三大部分

• a、加入阻塞队列
• b、阻塞队列调度
• c、异常处理

按照正常的理解，可能只会有a、b两部分就够了，为什么会有c呢？什么时候会发生异常？

3.1、加入阻塞队列

当一个线程尝试加锁失败后，便会放入阻塞队列的队尾；这节我们来讨论一下这个动作的细节

在加入阻塞队列之前，首先会查看头节点是否为null，如果是null的话，需要新建ws为0的头结点，（为什么在AQS初始化的时候，不直接新建头结点呢？其实由此可见作者细节处理的严谨，因为如果当我们的独占锁并发度不大，在尝试加锁的过程中，总能获取到锁，这时便不会向阻塞队列添加内容，假如初始化便新建头结点，会导致其白白占用内存空间而得不到有效利用）然后将当前节点添加至阻塞队列的尾部，当然头结点初始化、向尾部节点追加新节点都是通过CAS操作的。而阻塞队列呢，正如我们前文提及的是一个FIFO的队列，且带有next、prev两个引用来标记前、后节点；我们在阻塞队列中加入第一个节点后，阻塞队列的样子：

3.2、阻塞队列调度

这一节属于独占锁很核心的部分，里面涉及ws更改、线程挂起与唤醒、更换头结点等

我们接着3.1继续，在节点进入调度后，首先检查下当前节点的前节点是否为head节点，如果是的话，那么有一次尝试加锁的机会，加锁成功或失败将导致2个分支

我们首先看加锁加锁成功的情况，一旦加锁成功，当前节点便从阻塞队列中“消失”（其实是当前节点变为了头结点，而原头结点内存不可达，等待垃圾回收），当所有节点都加锁成功，阻塞队列便为空了，但并不代表阻塞队列的长度为0，因为有头结点的存在，所以空阻塞队列的长度是1

而加锁失败或者当前节点的前节点不是head节点呢？是马上将线程挂起吗？答案是不确定的，要看前节点的ws状态而定。而此步骤还有个隐藏任务：将当前节点之前的所有已取消节点从阻塞队列中剔除。

从上图中我们看到，一个节点如果想正常进入挂起状态，那么一定要将前节点的ws改为SIGNAL (-1)状态，但如果前节点已经变为CANCELLED (1)状态后，就要递归向前寻找第一个非CANCELLED的节点。

针对“线程挂起并等待其他线程唤醒”，我们提出2个问题

问题1

• 如果是普通节点，直接挂在队尾，且将其线程挂起，这个没啥问题；但如果是头节点被唤醒，尝试加锁却失败了，又被再次挂起，会不会导致头结点永远处于挂起状态？
• 答：不会，因为头结点之所以抢锁失败，一定是因为另外一个A线程抢锁成功。虽然头节点暂时处于挂起状态，但当A线程执行完加锁代码后，还会再次唤醒头结点

问题2

• 假定当前节点判定需要被挂起，在执行挂起操作前，拥有锁的线程执行完毕，并唤醒了当前线程，而当前线程又马上要进行挂起操作，岂不是会导致无法成功将当前节点唤醒，从而永远hang死？
• 答：能考虑到这个问题，说明你已经带着分身去思考问题了，不错。不过此处是不会存在这个问题的，因为线程挂起、唤醒使用的api为park/unpark，即便是unpark发生在park之前，在执行park操作时，也会成功唤醒。这个特质区别于wait/notify

而针对阻塞队列的调度，还有一些没有解释的问题：

• a、为什么阻塞队列内有这么多CANCELLED状态的节点？
• b、当前节点在挂起前，前节点为SIGNAL状态，但经过一段时间运行，前节点变为了CANCELLED状态，岂不是导致当前节点永远无法被唤醒？

要回答这两个问题，就要引出异常处理了

3.3、异常处理

我们首先讨论如果AQS不做异常处理可以吗？ 不可以，例如第一个节点被唤醒后，在加锁阶段发生了异常，如果没有异常处理，这个异常节点将永远处于阻塞队列，成为“僵尸节点”，且后续节点也不会被唤起

官方标明可能会出现异常的部分，诸如“等待超时”、“打断”等，那如果我们调用acquire()方法，而非acquireInterruptibly()、tryAcquireNanos(time)是不是就不会出现异常？不是的，因为还有AQS下放给我们自己实现的tryRelease()等方法。我们实现一个自己的AQS，并模拟tryRelease()报错，看AQS能否正常应对

public class FindBugAQS {

  public volatile static int FLAG = 0;

  private static ThreadLocal<Integer> FLAG_STORE = new ThreadLocal<>();

  private static ThreadLocal<Integer> TIMES = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

  private Sync sync = new Sync();

  private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

    private Sync() {
      setState(1);
    }

    public void lock() {
      FLAG_STORE.set(++FLAG);
      int state = getState();
      if (state == 1 && compareAndSetState(state, 0)) {
        return;
      }
      acquire(1);
    }

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
      if (FLAG_STORE.get() == 2) {
        Integer time = TIMES.get();
        if (time == 0) {
          TIMES.set(1);
        } else {
          // 模拟发生异常，第二个节点在第二次访问tryAcquire方法时，将会扔出运行期异常
          System.out.println("发生异常");
          throw new RuntimeException("lkn aqs bug");
        }
      }
      int state = getState();
      if (state == 1 && compareAndSetState(state, 0)) {
        return true;
      }
      return false;
    }

    @Override
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
      setState(1);
      return true;
    }

    public void unlock() {
      release(1);
    }
  }

  public void lock() {
    sync.lock();
  }

  public void unlock() {
    sync.unlock();
  }

}

// 测试用例如下：

public class BugTest {
  private static volatile int number = 0;

  @Test
  public void test2() throws InterruptedException {
    List<Thread> list = Lists.newArrayList();
    FindBugAQS aqs = new FindBugAQS();
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
      aqs.lock();
      PubTools.sleep(5000);
      number++;
      aqs.unlock();
    });
    thread1.start();
    list.add(thread1);

    PubTools.sleep(500);

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
      Thread thread2 = new Thread(() -> {
        aqs.lock();
        PubTools.sleep(500);
        number++;
        aqs.unlock();
      });
      thread2.start();
      list.add(thread2);
    }

    for (Thread thread : list) {
      thread.join();
    }
    System.out.println("number is " + number);
  }
}

运行结果：

发生异常
Exception in thread "Thread-1" java.lang.RuntimeException: lkn aqs bug
	at org.xijiu.share.aqs.bug.FindBugAQS$Sync.tryAcquire(FindBugAQS.java:42)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued(AbstractQueuedSynchronizer.java:863)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire(AbstractQueuedSynchronizer.java:1199)
	at org.xijiu.share.aqs.bug.FindBugAQS$Sync.lock(FindBugAQS.java:31)
	at org.xijiu.share.aqs.bug.FindBugAQS.lock(FindBugAQS.java:64)
	at org.xijiu.share.aqs.bug.BugTest.lambda$test2$2(BugTest.java:61)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
number is 4

我们自定义了AQS实现类FindBugAQS.java，模拟第二个节点在第二次访问tryAcquire会扔出异常；然后启动5个线程，对number进行累加。可见，最后的结果符合预期，AQS处理的很完美。那程序发生异常后，阻塞队列究竟如何应对？

举例说明吧，假定现在除去头结点外，阻塞队列中还有3个节点，当第1个节点被唤醒执行时，发生了异常，那么第1个节点会将ws置为CANCELLED，且将向后的链条打断（指向自己），但向前链条保持不变，并唤醒下一个节点

由上图可见，当某个节点响应中断/发生异常后，其会主动打断向后链条，但依旧保留向前的链条，这样做的目的是为了后续节点在寻找前节点时，可以找到标记为CANCELLED状态的节点，而不是找到null。至此便解答了3.2提出的两个问题

a、为什么阻塞队列内有这么多CANCELLED状态的节点？

• 当被调度执行的节点发生了异常，状态便会更改为CANCELLED状态，但仍存在于阻塞队列中，直到正常执行的节点将其剔除

b、当前节点在挂起前，前节点为SIGNAL状态，但经过一段时间运行，前节点变为了CANCELLED状态，岂不是导致当前节点永远无法被唤醒？

• 不会，节点发生异常后，会主动唤起后续节点，而后续节点负责将前节点从阻塞队列中删除

四、解锁

本来想针对“解锁逻辑”画一张流程图，但猛然发现解锁部分仅仅10行左右的代码，那就索性把源码贴上，逐一论述下

• AQS解锁源码

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

• ReentrantLock解锁源码

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

我们发现当tryRelease()方法返回true时，AQS便会负责唤醒后续节点，因为ReentrantLock支持了可重入的特性，所以当前线程的每次加锁都会对state累加，而每次tryRelease()方法则会对state累减，直到state变为初始状态0时，tryRelease()方法才会返回true，即唤醒下一个节点

解锁逻辑相对简洁，且不存在并发，本文不再赘述

五、后记

再次强调本文是通过ReentrantLock的视角来分析独占锁，且主要分析的是ReentrantLock.lock()/unlock()方法，目的是让大家对AQS整体的数据结构有个全面认识，方便后续在实现自己的并发框架时，明白api背后发生的事情，做到游刃有余

而像ReentrantLock的lockInterruptibly()、tryLock(TimeUnit)或者其他独占锁的实现类，读者可自行阅读源码，原理类似，核心代码也是一样的