徹底了解java中ReentrantLock和AQS的源碼

更新時間：2021年04月08日 12:01:32 作者：cy劉皇叔

這篇文章主要介紹了徹底了解java中ReentrantLock和AQS的源碼，想了解鎖機制的同學(xué)，一定要參考下

一.前言

首先在聊ReentrantLock之前，我們需要知道整個JUC的并發(fā)同步的基石，currrent里面所有的共享變量都是由volatile修飾的，我們知道volatile的語義有2大特點，可見性以及防止重排序（內(nèi)存屏障，volatie寫與volatile讀）
1、當(dāng)?shù)诙€操作為volatile寫操做時,不管第一個操作是什么(普通讀寫或者volatile讀寫),都不能進行重排序。這個規(guī)則確保volatile寫之前的所有操作都不會被重排序到volatile之后;

2、當(dāng)?shù)谝粋€操作為volatile讀操作時,不管第二個操作是什么,都不能進行重排序。這個規(guī)則確保volatile讀之后的所有操作都不會被重排序到volatile之前;

3、當(dāng)?shù)谝粋€操作是volatile寫操作時,第二個操作是volatile讀操作,不能進行重排序。
而cas操作同時包含了volatile寫/讀語義，這二者的完美結(jié)合就組成了current的基石

二.ReentrantLock的基礎(chǔ)用法

public class ReentrantLockText {
		
	public static void main(String[] args) {
		Lock lock = new ReentrantLock();
		
		
		Thread t1 = new Thread(()->{
			try {
				lock.lock();
				System.out.println("t1 start");
				TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
				System.out.println("t1 end");
			} catch (InterruptedException e) {
				System.out.println("interrupted!");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		});
		t1.start();
		
		Thread t2 = new Thread(()->{
			try {
				//lock.lock();
				lock.lockInterruptibly(); //可以對interrupt()方法做出響應(yīng)
				System.out.println("t2 start");
				TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
				System.out.println("t2 end");
			} catch (InterruptedException e) {
				System.out.println("interrupted!");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		});
		t2.start();
		
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		t2.interrupt(); //打斷線程2的等待
		
	}
}

運行結(jié)果

reentrantlock用于替代synchronized

需要注意的是，必須要必須要必須要手動釋放鎖（重要的事情說三遍）
使用syn鎖定的話如果遇到異常，jvm會自動釋放鎖，但是lock必須手動釋放鎖，因此經(jīng)常在finally中進行鎖的釋放
使用reentrantlock可以進行“嘗試鎖定”tryLock，這樣無法鎖定，或者在指定時間內(nèi)無法鎖定，線程可以決定是否繼續(xù)等待
使用ReentrantLock還可以調(diào)用lockInterruptibly方法，可以對線程interrupt方法做出響應(yīng)
在一個線程等待鎖的過程中，可以被打斷

2.ReentrantLock還有一個tryLock（time），可以指定時間，如果指定時間內(nèi)沒有獲得鎖，則放棄，可以通過其返回值來決定是否繼續(xù)等待

3.還有就是Condition了（我個人覺得這是最靈活的一個地方）

public class Lock_condition {

    public static void main(String[] args) {

        char[] aI = "1234567".toCharArray();
        char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();

        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition conditionT1 = lock.newCondition();
        Condition conditionT2 = lock.newCondition();

        new Thread(()->{
            try {
                lock.lock();

                for(char c : aI) {
                    System.out.print(c);
                    conditionT2.signal();
                    conditionT1.await();
                }
                conditionT2.signal();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        }, "t1").start();

        new Thread(()->{
            try {
                lock.lock();

                for(char c : aC) {
                    System.out.print(c);
                    conditionT1.signal();
                    conditionT2.await();
                }

                conditionT1.signal();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        }, "t2").start();
    }
}

這是condition結(jié)合lock（獨占鎖）的用法
condition目前只實現(xiàn)了獨占鎖，關(guān)于condition的源碼理解，后續(xù)也會繼續(xù)更新，暫時我們只需要知道類似object的wait與notifiy

三.原理+源碼

我們現(xiàn)在知道了基本用法，那么我們就可以開始探究源碼了

1.AQS
我們知道JUC里面的核心類就是AQS，那么AQS究竟是個啥東西呢？
1）先上內(nèi)部類NODE源碼

static final class Node {
        static final Node SHARED = new Node();
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int PROPAGATE = -3;
        volatile int waitStatus;
        volatile Node next;
        volatile Node prev;
        volatile Thread thread;
        Node nextWaiter;

不知道大家在看到這個 Node next;Node prev;的時候是啥感覺，反正我當(dāng)時是激動壞了，這不就是一個雙向鏈表嘛，
再看volatile Thread thread;這個屬性，這是一個管理線程的雙向鏈表，換句話說就是將線程打包成立節(jié)點放入AQS的鏈表中
基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)清楚之后。
SHARED 與EXCLUSIVE 代表是獨占節(jié)點還是共享節(jié)點
2)再上AQS屬性源碼

private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    private volatile int state;

Node0 head與tail不用說，這是來管理節(jié)點的，
這里我們要核心介紹一個屬性是state，這也是AQS這個類的靈魂,
1.再獨占鎖中這個state是1或者0，（如果大于1則表示鎖重入，這個稍后會有源碼分析）
2在共享鎖中代表還有多少共享鎖資源，
3.在讀寫鎖中，高16位代表寫鎖是否被占用，低16位代表有多少讀鎖，
4.在CountDownLatch中，通過構(gòu)造參數(shù)代碼門閘剩余個數(shù)
5.在Semaphore中，同樣通過構(gòu)造參數(shù)代表信號燈個數(shù)

2.ReentrantLock獲取鎖源碼（獨占鎖）
首先公平鎖與非公平鎖，分別繼承與Sync
FairSync NoFairSync ，默認(rèn)是非公平鎖，可以在構(gòu)造方法上指定

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);//ture則是公平鎖

公平鎖故名思意，在AQS中管理著一個線程隊列，如果這時候有一個線程過來搶這把鎖，如果是公平鎖，那么會判斷隊列是不是存在不同與當(dāng)前線程的等待隊列（FIFO），如果存在則去排隊，非公平鎖則是直接去排隊
（2.1.非公平鎖獲取鎖）

final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))//cas原子操作嘗試去修改值，如果修改成功說明成功獲取到了鎖
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

首先cas原子操作嘗試去修改值，如果修改成功說明成功獲取到了鎖,進入setExclusiveOwnerThread（）方法

protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

將當(dāng)前線程記錄，實現(xiàn)偏向鎖，一行代碼便完美實現(xiàn)了偏向鎖??！

如果失敗則，調(diào)用acquire（）；這個方法調(diào)用的實際上是子類的nonfairTryAcquire方法

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    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;
        }

首先，獲取state的值，判斷是否為0，如果為0，則說明鎖沒有被占有，（可能是剛剛被釋放）那么cas操作開始嘗試獲取鎖，
**（注意注意注意）**重要的事情說三遍，這里僅僅嘗試獲取一次，沒有自旋！！這是獨占鎖與共享鎖的區(qū)別之一，因為如果state>=0(對于共享鎖來說state代表剩余數(shù)量)，那么共享鎖會不斷嘗試自旋獲取鎖，之道state<0,因為只要》0那么就可能共享到鎖
接下來的else if就是重入鎖的操作了，判斷當(dāng)先線程是不是記錄的線程，如果是，每次重入state+1，如果不是就返回flase，直接拜拜
（2.2公平鎖獲取鎖）
剛剛介紹了公平鎖的意義，所有直接上源碼，公平鎖比非公平鎖多了一個公平判斷

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

我們可以看到hasQueuedPredecessors是用來判斷隊列是否有不同于當(dāng)前線程的節(jié)點等待，這里重點討論一個情況，
h != t返回true，(s = h.next) == null返回true
首先可以知道隊列中有2個節(jié)點，但是頭節(jié)點沒有后繼結(jié)點，在這里列舉一種情況，有另一個線程已經(jīng)執(zhí)行到初始化隊列的操作了，介于compareAndSetHead(new Node())與tail = head之間，也就是之后說的enq自旋方法，請繼續(xù)往下看

繼續(xù)如果非公平鎖沒有獲取到鎖，那么會調(diào)用acquireQueued和addwaiter方法

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

首先來看addwaiter方法

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

首先將，當(dāng)前線程封裝成一個，Node，然后通過判斷尾結(jié)點是不是空的方式，判斷隊列是不是空的，如果存在尾結(jié)點，那么直接進先驅(qū)后繼的改造，放入雙向鏈表，完成鏈表結(jié)構(gòu)，那么如果是空的呢？這么調(diào)用了一個enq的自旋方法

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

我們可以看到這個一個自旋方法，第一次循環(huán)：t為null，那么cas就new出來一個新結(jié)點，頭尾都指向這個新結(jié)點，
第二次循環(huán)，將傳進來的這個線程結(jié)點的前驅(qū)指向剛剛new的這個結(jié)點，然后cas操作進行，將這個線程結(jié)點替換為尾部結(jié)點，然后head后繼指向線程結(jié)點，返回head
經(jīng)過二次循環(huán)，得到了一個由2個節(jié)點組成的隊列，head-》node，head是假節(jié)點（里面不包括線程為null），node才是真正的線程結(jié)點（addwrite封裝好的傳進來的線程結(jié)點）
問題1.為什么一定要用cas操作，因為防止別的線程修改了該隊列

好，現(xiàn)在我們繼續(xù)，看acquireQueued

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

這是一個最最核心的方法，從隊列中取線程
首先這是一個自旋，判斷該節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點是不是head，因為（FIFO）先進先出隊列。
如果不是直接拜拜進入shouldParkAfterFailedAcquire，繼續(xù)上源碼

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;

CANCELLED：因為超時或者中斷，結(jié)點會被設(shè)置為取消狀態(tài)，被取消狀態(tài)的結(jié)點不應(yīng)該去競爭鎖，只能保持取消狀態(tài)不變，不能轉(zhuǎn)換為其他狀態(tài)。處于這種狀態(tài)的結(jié)點會被踢出隊列，被GC回收；
SIGNAL：表示這個結(jié)點的繼任結(jié)點被阻塞了，到時需要通知它；
CONDITION：表示這個結(jié)點在條件隊列中，因為等待某個條件而被阻塞；
PROPAGATE：使用在共享模式頭結(jié)點有可能牌處于這種狀態(tài)，表示鎖的下一次獲取可以無條件傳播；
0：None of the above，新結(jié)點會處于這種狀態(tài)。

首先說明一下waitStatus這個屬性，為什么之前不提呢，因為之前沒有對waitStatus進行操作，我們在new節(jié)點與封裝結(jié)點的時候沒有考慮這個屬性，所以我們現(xiàn)在當(dāng)成一個新屬性，值為0來看待，

shouldParkAfterFailedAcquire這個代碼的邏輯意義是說明呢？
如果是SIGNAL那么，直接ture，
如果大于0，則是CANCELLED，被取消了，直接剔除隊列
如果都不是，那么將其前驅(qū)結(jié)點設(shè)為SIGNAL，也就是可以安心睡覺了，定好鬧鐘了，可以被等著喚醒了，
我們現(xiàn)在很明顯是第三種，因為之前啥都沒干，就是0，
所以本來狀態(tài)

進行shouldParkAfterFailedAcquire之后，
那么現(xiàn)在鏈表中，對線程1的前驅(qū)設(shè)鬧鐘，0變成-1

假設(shè)這時候又來了個線程2，那么同理，對線程而的先驅(qū)設(shè)鬧鐘0變成-1

在調(diào)用了shouldParkAfterFailedAcquire（）之后，調(diào)用parkAndCheckInterrupt方法用于阻塞，

這里提一下，關(guān)于parkAndCheckInterrupt，lock里面用于阻塞都是基于lockSupper.park()與lockSupper.unpark()完成了，而lockSupper調(diào)用的又是unsafe這個類，我們知道java是基于jvm實現(xiàn)的，并不能和c++一樣直接對os進行操作，所以jvm給我們提供了一個梯子，這個梯子就是unsafe這個類，直接將線程的的交個操作系統(tǒng)阻塞

四,釋放鎖

終于到了釋放鎖，獨占鎖的釋放鎖的邏輯相對與共享鎖來說比較簡單，后續(xù)我也會繼續(xù)更新共享鎖的源碼

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

首先我們來看tryRelease方法，

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;
        }

首先獲取，int c = getState() - releases;這里可能c是>0的，因為獨占鎖的重入鎖（上面以及說明了獨占鎖的重入的源碼操作），所以有可能是需要進行多次解鎖的，繼續(xù)
判斷當(dāng)前線程是不是獨占線程，如果不是則報IllegalMonitorStateException異常
一直解鎖到c=0的時候，那么線程已經(jīng)解鎖，則設(shè)setExclusiveOwnerThread=null
設(shè)置當(dāng)前獨占線程為null，然后設(shè)置state為0

繼續(xù)回到release，如果頭節(jié)點不是null而且h.waitStatus != 0，說明是-1，說明設(shè)置鬧鐘了，需要喚醒aqs隊列中的阻塞結(jié)點，調(diào)用的是unparkSuccessor方法，繼續(xù)看源碼

 private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

這里首先明確，這里傳進來的node是啥？是頭節(jié)點！?。?！，一定要明確這個，博主就是因為剛開始沒明確這個，半天沒明白，因為喚醒一定是喚醒頭節(jié)點之后的waitStatus不為1的結(jié)點

首先判斷頭節(jié)點，如果是-1則設(shè)置為0，這個中間狀態(tài)，表示有結(jié)點被喚醒了，
然后拿到，head的后繼節(jié)點，進行判斷，如何是null或者waitStatus >0，（就是1，CANCELLED，代表被取消了），這個時候從尾部開始遍歷，剔除waitStatus >0的節(jié)點，找到第一個waitStatus <=0的節(jié)點，用LockSupport.unpark(s.thread);將其喚醒，喚醒之后的線程回到acquireQueued方法中，

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
            //被阻塞的線程，被喚醒后在進行循環(huán)，
            //然后通過return interrupted;
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

首先，將該結(jié)點設(shè)置為head，然后將老head指向null，幫助gc回收，然后return返回，至此線程自由
那么此時該隊列為