AbstractQueuedSynchronizer

一、我们如何设计一个锁？

1.1 如何标识锁状态，还有是可重入锁

一个状态位:

有锁

和

无锁
一个计数器记录加锁次数

state=0 无锁
state>0  锁(重入锁-记录次数)
int state;

1.2 如何保证多线程抢锁安全

使用

unsafe

类提供的

CAS

方法确保加锁和解锁动作

原子性

cas方法是native方法，底层调用操作系统指令：lock cmpxchg 保证原子性。

1.3 如何处理获取不到锁

自旋：用户空间内线程不断执行，直到满足条件退出。
阻塞：内核空间即操作系统级别，线程进行阻塞。

自旋：适合操作步骤少且快的场景，如果长时间占用，会导致系统执行效率底下。

自旋的时间远远大于线程上下文切换的时间，应该使用阻塞锁模式。

1.4如何释放锁

自旋：修改状态位，置为无锁状态
阻塞：释放操作系统级别的锁，唤醒其他等待线程

二、AQS

什么是AQS

AQS，位于java.util.concurrent.locks包中，AbstractQueuedSynchronizer这个类是并发包中的核心。
AQS就是一个同步器，要做的事情就相当于一个锁，所以就会有两个动作：一个是获取，一个是释放，如果只有一把锁，获取不到锁就需要一个队列去排队等待(

CLH队列

)，等待去尝试获取锁。

AQS的核心思想是：

通过一个volatile修饰的int属性state代表同步状态，例如0是无锁状态，1是上锁状态。多线程竞争资源时，通过CAS的方式来修改state，例如从0修改为1，修改成功的线程即为资源竞争成功的线程，将其设为exclusiveOwnerThread，也称【工作线程】，资源竞争失败的线程会被放入一个FIFO的队列中并挂起休眠，当exclusiveOwnerThread线程释放资源后，会从队列中唤醒线程继续工作，循环往复。

AQS的CLH锁队列

CLH其实就是一个FIFO的队列，AQS有一个内部类Node，AQS会将竞争锁失败的线程封装成一个Node节点，然后由这些NODE组成了一个双向链表队列

在这里插入图片描述

waitStatus：是以0为临界值的，大于0代表节点无效，例如AQS在唤醒队列中的节点时，waitStatus大于0的节点会被跳过。

state：AQS内部还维护了int类型的state变量，代表同步器的状态。例如，在ReentrantLock中，state就代表锁的重入次数，每lock一次，state就+1，每unlock一次，state就-1，当state等于0时，代表没有上锁。

AQS内部还维护了head和tail属性，用来指向FIFO队列中的头尾节点，被head指向的节点，总是工作线程。线程在获取到锁后，是不会出队的。只有当head释放锁，并将其后继节点唤醒并设为head后，才会出队。

static final class Node {
    //作为共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    //作为独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    //等待状态：表示节点中线程是已被取消的
    static final int CANCELLED =  1;
    //等待状态：表示当前节点的后继节点的线程需要被唤醒
    static final int SIGNAL    = -1;
    //等待状态：表示线程正在等待条件
    static final int CONDITION = -2;
    //等待状态：表示下一个共享模式的节点应该无条件的传播下去
    static final int PROPAGATE = -3;
    //等待状态，初始化为0，剩下的状态就是上面列出的
    volatile int waitStatus;
    //当前节点的前驱节点
    volatile Node prev;
    //后继节点
    volatile Node next;
    //当前节点的线程
    volatile Thread thread;
    //条件队列的后继节点
    Node nextWaiter;
    //是否是共享节点
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    //当前节点的前驱节点
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }
    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

共享锁和独占锁

AQS的CLH队列锁中，每个节点代表着一个需要获取锁的线程，该node中有两个常量SHARED共享模式，EXCLUSIVE独占模式。

Exclusive（独占）：只有⼀个线程能获取锁执⾏，如 ReentrantLock 。
Share（共享）：多个线程可同时获取锁执⾏，如CountDownLatch 、 Semaphore 、 CountDownLatch 、 ReadWriteLock

static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;

公平锁和非公平锁

公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
⾮公平锁：当线程要获取锁时，⽆视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的

ReentrantLock类实现公平和非公平锁

public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

三、源码

AQS核心属性

//阻塞队列的队列头
private transient volatile Node head;
//队列尾
private transient volatile Node tail;
//同步状态，这就是上面提到的需要原子操作的状态
private volatile int state;
//原子的设置当前同步器的状态
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

独占锁

acquire，独占，忽略中断

    public final void acquire(int arg) {
     //首先调用tryAcquire尝试获取
     //获取不成功，就使用acquireQueued使线程进入等待队列
        if (!tryAcquire(arg) && 
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

tryAcquire方法：


//由子类来实现
//尝试在独占模式下获取，会查询该对象的状态是否允许在独占模式下获取
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

使用指定的模式创建一个节点，添加到AQS链表队列中：

private Node addWaiter(Node mode) {
    //当前线程，指定的mode，共享或者独占
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    //先尝试使用直接添加进队列
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //使用添加节点的方法
    enq(node);
    return node;
}

tryAcquire没有获取到，就会先使用addWaiter添加进队列，然后使用acquireQueued从队列获取，如果这时候获取成功，则替换当前节点为队列头，然后返回。

//独占模式处理正在排队等待的线程。
//自旋，直至获取成功才返回
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    //当前获取是否失败
    boolean failed = true;
    try {
        //获取是否被中断
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //获取当前节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            
            //head节点要么是刚才初始化的节点
            //要么就是成功获取锁的节点
            //如果当前节点的前驱节点是head，当前节点就应该去尝试获取锁了
            //当前节点的前驱节点是头节点，就尝试获取
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //获取成功的话，就把当前节点设置为头节点
                setHead(node);
                //之前的head节点的next引用设为null
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //查看当前节点是否应该被park
            //如果应该，就park当前线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        //失败了，取消当前线程
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

shouldParkAfterFailedAcquire方法，查看是否应该被park：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //前驱节点中保存的等待状态
    int ws = pred.waitStatus;
    //等待状态是signal，也就是当前节点在等着被唤醒
    //此时当前节点应该park
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
        
    //等待状态大于0表示前驱节点已经取消
    //会向前找到一个非取消状态的节点
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
       //将前驱节点的waitStatus设置为signal，表示当前需要被park
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

parkAndCheckInterrupt方法：

//挂起当前线程，并返回当前中断状态
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    //挂起当前线程
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

cancelAcquire取消当前节点：

private void cancelAcquire(Node node) {
    //节点不存在
    if (node == null)
        return;
    //节点的线程引用设为null
    node.thread = null;
 
    //前驱节点
    Node pred = node.prev;
    //大于0表示前驱节点被取消
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;
 
    //前驱节点的下一个是需要移除的节点
    Node predNext = pred.next;
 
    //设置节点状态为取消
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
 
    //如果是尾节点，直接取消，将前一个节点设置为尾节点
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {//不是尾节点，说明有后继节点，将前驱节点的next纸箱后继节点
        int ws;
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            unparkSuccessor(node);
        }
 
        node.next = node; // help GC
    }
}

release，独占，忽略中断

public final boolean release(int arg) {
    //尝试释放，修改状态
    if (tryRelease(arg)) {
        //成功释放
        //head代表初始化的节点，或者是当前占有锁的节点
        //需要unpark后继节点
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

unparkSuccessor：


private void unparkSuccessor(Node node) {
    //头节点中保存的waitStatus
    int ws = node.waitStatus;
    //重置头节点状态为0
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //后继节点
    Node s = node.next;
    //后继节点为null或者已经取消
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        //从最后往前找有效的节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    //unpark
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

共享锁

共享模式的和独占模式基本差不多，和独占式的acquireQueued方法区别就是在获取成功的节点后会继续unpark后继节点，将共享状态向后传播。

acquireShared共享，忽略中断

releaseShared 共享模式的释放

四、ReentrantLock

基于AQS实现的可重入锁。

3.1构造方法

公平锁：线程加锁需要到队列中排队
非公平锁：尝试先获取锁，如果获取不到直到队列中排队

非公平锁效率较高，因为可以减少阻塞唤醒的动作，减少上下文切换成本。

   public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
   
    private final Sync sync;
    
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
   }

3.2上锁

2.2.1非公平

//非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        final void lock() {
            //抢锁，如果成功直接上锁
            if (compareAndSetState(0, 1))
                 //上锁成功，标识当前线程为获取锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                 //抢锁失败，进入aqs标准流程
                acquire(1);//调用tryAcquire
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
        
        //非公平锁获取锁的标志方法
        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //当线程执行到这里，正好有别的线程释放掉锁，就可以抢锁。
            if (c == 0) { 
                 //继续抢锁，不用考虑等待的其他排队线程
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //如果目前线程是占用锁的线程，这里就是锁重入
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;//利用State记录加锁次数
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;//如果返回false 加入阻塞队列等待
        }
    }

3.2.2公平

static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

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

        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //当线程执行到这里，正好有别的线程释放掉锁
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&//判断队列中是否有排队线程
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
             //如果目前线程是占用锁的线程，这里就是锁重入
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;//如果返回false 加入阻塞队列等待
        }
    }

3.3释放锁

3.3.1非公平和公平相同

AQS公用逻辑

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

    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.Sync中释放锁代码

protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            //如果当前线程不是持有锁线程抛出IllegalMonitorStateException
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //如果不是重入锁 ，释放锁
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);//设置独占标志为空
            }
            //此时setState才设置成功，保证以上操作原子性
            setState(c);
            return free;
        }

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_45370502/article/details/124783818