Java - ReentrantLock锁分析

Java - JUC核心类AbstractQueuedSynchronizer(AQS)底层实现

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一.  AQS内部结构介绍

JUC是Java中一个包   java.util.concurrent 。在这个包下，基本存放了Java中一些有关并发的类，包括并发工具，并发集合，锁等。

AQS（抽象队列同步器）是JUC下的一个基础类，大多数的并发工具都是基于AQS实现的。

AQS本质并没有实现太多的业务功能，只是对外提供了三点核心内容，来帮助实现其他的并发内容。

三点核心内容：

• int state
  • 比如ReentrantLock或者ReentrantReadWriteLock， 它们获取锁的方式，都是对state变量做修改实现的。
  • 比如CountDownLatch基于state作为计数器，同样的Semaphore也是用state记录资源个数。
• Node对象组成的双向链表（AQS中）
  • 比如ReentrantLock，有一个线程没有拿到锁资源，当线程需要等待，则需要将线程封装为Node对象，将Node添加到双向链表，将线程挂起，等待即可。
• Node对象组成的单向链表（AQS中的ConditionObject类中）
  • 比如ReentrantLock，一个线程持有锁资源时，执行了await方法（类比synchronized锁执行对象的wait方法），此时这个线程需要封装为Node对象，并添加到单向链表。

二.  Lock锁和AQS关系

ReentrantLock就是基于AQS实现的。ReentrantLock类中维护这个一个内部抽象类Sync，他继承了AQS类。ReentrantLock的lock和unlock方法就是调用的Sync的方法。

AQS流程（简述）
1. 当new了一个ReentrantLock时，AQS默认state值为0， head 和 tail 都为null；
2. A线程执行lock方法，获取锁资源。
3. A线程将state通过cas操作从0改为1，代表获取锁资源成功。
4. B线程要获取锁资源时，锁资源被A线程持有。
5. B线程获取锁资源失败，需要添加到双向链表中排队。
6. 挂起B线程，等待A线程释放锁资源，再唤醒挂起的B线程。
7. A线程释放锁资源，将state从1改为0，再唤醒head.next节点。
8. B线程就可以重新尝试获取锁资源。
注： 修改AQS双向链表时要保证一个私有属性变化和两个共有属性变化，只需要让tail变化保证原子性即可。不能先改tail（会破坏双向链表）

三.  AQS - Lock锁的tryAcquire方法

ReentrantLock中的lock方法实际是执行的Sync的lock方法。

Sync是一个抽象类，继承了AQS

Sync有两个子类实现：

• FairSync: 公平锁
• NonFairSync： 非公平锁

Sync的lock方法实现：

//  非公平锁
final void lock() {
    //  CAS操作，尝试将state从0改为1
    //  成功就拿到锁资源， 失败执行acquire方法
    if (compareAndSetState(0, 1))
　　　　　//　
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

//  公平锁
final void lock() {
    acquire(1);
}

如果CAS操作没有成功，需要执行acquire方法走后续

acquire方法是AQS提供的，公平和非公平都是走的这个方法

public final void acquire(int arg) {
    //  1. tryAcquire方法： 再次尝试拿锁
    //  2. addWaiter方法： 没有获取到锁资源，去排队
    //  3. acquireQueued方法：挂起线程和后续被唤醒继续获取锁资源的逻辑
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
　　　　　//　如果这个过程中出现中断，在整个过程结束后再自我中断　
        selfInterrupt();
}

在AQS中tryAcquire是没有具体实现逻辑的，AQS直接在tryAcquire方法中抛出异常

在公平锁和非公平锁中有自己的实现。

• 非公平锁tryAcquire方法

//  非公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

//  非公平锁再次尝试拿锁 （注：该方法属于Sync类中）
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    //  获取当前线程对象
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //  获取state状态
    int c = getState();
    //  state是不是没有线程持有锁资源，可以尝试获取锁
    if (c == 0) {
        //  再次CAS操作尝试修改state状态从0改为1
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            //  成功就设置互斥锁的为当前线程拥有
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //  锁资源是否被当前线程所持有 （可重入锁）
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //  持有锁资源为当前， 则对state + 1
        int nextc = c + acquires;
        //  健壮性判断
        if (nextc < 0) // overflow
            //  超过最大锁重入次数会抛异常（几率很小，理论上存在）
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //  设置state状态，代表锁重入成功
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

• 公平锁tryAcquire方法

//  公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //  获取当前线程对象
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //  获取state状态
    int c = getState();
    //  state是不是没有线程持有锁资源
    if (c == 0) {
        //  当前锁资源没有被其他线程持有
        //  hasQueuedPredecessors方法： 锁资源没有被持有，进入队列排队
        //  排队规则：
        //  1. 检查队列没有线程排队，抢锁。
        //  2. 检查队列有线程排队，查看当前线程是否排在第一位，如果是抢锁，否则入队列（注：该方法只是判断，没有真正入队列）
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            //  再次CAS操作尝试， 成功就设置互斥锁的为当前线程拥有
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //  锁资源是否被当前线程所持有 （可重入锁）
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //  持有锁资源为当前， 则对state + 1
        int nextc = c + acquires;
        //  健壮性判断
        if (nextc < 0)
            //  超过最大锁重入次数会抛异常（几率很小，理论上存在）
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //  设置state状态，代表锁重入成功
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

四.  AQS的addWaiter方法

addWaiter方法，就是将当前线程封装为Node对象，并且插入到AQS的双向链表。

//  线程入队列排队
private Node addWaiter(Node mode) {
    //  将当前对象封装为Node对象
    //  Node.EXCLUSIVE 表示互斥  Node.SHARED 表示共享
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 获取tail节点
    Node pred = tail;
    //  判断双向链表队列有没有初始化
    if (pred != null) {
        //  将当前线程封装的Node节点prev属性指向tail尾节点
        node.prev = pred;
        //  通过CAS操作设置当前线程封装的Node节点为尾节点
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            //  成功则将上一个尾节点的next属性指向当前线程封装的Node节点
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //  没有初始化head 和 tail 都等于null
    //  enq方法： 插入双向链表和初始化双向链表
    enq(node);
    //  完成节点插入
    return node;
}

//  插入双向链表和初始化双向链表
private Node enq(final Node node) {
    //  死循环
    for (;;) {
        //  获取当前tail节点
        Node t = tail;
        //  判断尾节点是否初始
        if (t == null) { // Must initialize
            //  通过CAS操作初始化初始化一个虚拟的Node节点，赋给head节点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            //  完成当前线程Node节点加入AQS双向链表的过程
            //  当前线程封装的Node的上一个prev属性指向tail节点
            //  流程： 1. prev(私有)  --->  2. tail(共有)  ---> 3. next (共有)
            node.prev = t;
            //  通过CAS操作修改tail尾节点指向当前线程封装的Node
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                //  将当前线程封装的Node节点赋给上一个Node的下一个next属性
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

五.  AQS的acquireQueued方法

acquireQueued方法主要就是线程挂起以及重新尝试获取锁资源的地方

重新获取锁资源主要有两种情况：

• 上来就排在head.next，就回去尝试拿锁
• 唤醒之后尝试拿锁

//  当前线程Node添加到AQS队列后续操作
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    //  标记，记录拿锁状态   失败
    boolean failed = true;
    try {
        // 中断状态
        boolean interrupted = false;
        //  死循环
        for (;;) {
            //  获取当前节点的上一个节点    prev
            final Node p = node.predecessor();
            //  判断当前节点是否是head，是则代表当前节点排在第一位
            //  如果是第一位，执行tryAcquire方法尝试拿锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //  都成功，代表拿到锁资源
                //  将当前线程Node设置为head节点，同时将Node的thread 和 prev属性设置为null
                setHead(node);
                //  将上一个head的next属性设置为null，等待GC回收
                p.next = null; // help GC
                //  拿锁状态  成功
                failed = false;
                //  返回中断状态
                return interrupted;
            }
            //  没有获取到锁 --- 尝试挂起线程
            //  shouldParkAfterFailedAcquire方法： 挂起线程前的准备
            //  parkAndCheckInterrupt方法： 挂起当前线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                //  设置中断线程状态
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        //  取消节点
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

//  检查并更新无法获取锁节点的状态
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //  获取上一个节点的ws状态
    /**
    * SIGNAL(-1)   表示当前节点释放锁的时候，需要唤醒下一个节点。或者说后继节点在等待当前节点唤醒，后继节点入队时候，会将前驱节点更新给signal。
    * CANCELLED(1)  表示当前节点已取消调度。当timeout或者中断情况下，会触发变更为此状态，进入该状态后的节点不再变化。
    * CONDITION(-2)  当其他线程调用了condition的signal方法后，condition状态的节点会从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
    * PROPAGATE(-3)   表示共享模式下，前驱节点不仅会唤醒其后继节点，同时也可能唤醒后继的后继节点。
    * 默认(0) 新节点入队时候的默认状态。
    */
    int ws = pred.waitStatus;
    //  判断上个节点ws状态是否是 -1， 是则挂起
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        /**
        * 判断上个节点是否是取消或者其他状态。
        * 向前找到不是取消状态的节点，修改ws状态。
        * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，
        * 稍后就会被GC回收，这个操作实际是把队列中的cancelled节点剔除掉。
        */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        //  如果前驱节点正常，那就把上一个节点的状态通过CAS的方式设置成-1
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

//  挂起当前线程
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    //  挂起当前线程
    LockSupport.park(this);
    //  返回中断标志
    return Thread.interrupted();
}

六.  AQS的Lock锁的release方法

//  互斥锁模式   解锁
public final boolean release(int arg) {
    //  尝试是否可以解锁
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        //  判断双链表是否存在线程排队
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            //  唤醒后续线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

//  尝试是否可以解锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //  锁状态 =  状态 - 1
    int c = getState() - releases;
    //  判断锁是是否是当前线程持有
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        //  当前线程没有持有抛出异常
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    //  当前锁状态变为0，则清空锁归属线程
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    //  设置锁状态为0
    setState(c);
    return free;
}

//  唤醒线程
private void unparkSuccessor(Node node) {
    //  获取头节点的状态
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        //  通过CAS将头节点的状态设置为初始状态
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //  后继节点
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        //  从尾节点开始往前遍历，寻找离头节点最近的等待状态正常的节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        //  真正的唤醒操作
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

以上仅供参考！！