文章目录
- 1 AQS
- 1.1 概念
- 1.2 两种锁机制
- 1.3 公平锁和非公平锁
- 1.3 锁竞争
- 1.4 条件变量
- 2 ReentrantLock
- 2.1 简介
- 2 加锁
- 2.1 加锁成功
- 2.2 加锁失败
- 2.2.1 tryAcquire()
- 2.2.2 addWaiter()
- 2.2.3 acquireQueued()
- 2.2.3.1 主方法
- 2.2.3.2 shouldParkAfterFailedAcquire()
- 2.2.3.3 parkAndCheckInterrupt()
- 2.2.4 selfInterrupt()
- 3 解锁
- 3.1 解锁成功
- 3.1.1 tryRelease()方法
- 3.1.2 release()方法
- 3.1.3 unparkSuccessor()
- 3.2 解锁失败
- 4 后记
1 AQS
此处给出AQS的一些先行知识点，为后续详细解析AQS做铺垫。在给出一些必要的基础之后，我们先从分析AQS一些具体典型锁实现，最后对AQS做归纳总结。
1.1 概念
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是多线程同步器，它是JUC（java.util.concurrent）包中多个组件的底层实现，比如像Lock、CountDownLatch、Semaphore等都是用到了AQS。简单理解就是：AQS定义了模板，具体实现由各个子类完成。
1.2 两种锁机制
AQS提供2种锁机制，独占锁和共享锁。独占锁，就是存在多个线程去竞争同一共享资源的时候，同一个时刻，只允许一个线程去访问该共享资源，也就是说只能有一个线程获取该共享资源的锁。比如Lock中的ReentrantLock重入锁，它的实现就是用到了AQS的一个排它锁的功能。
共享锁也称为读锁，也就是同一时刻，允许多个线程获取锁的资源，比如CountDownLatch、Semaphore,都用到了AQS中的共享锁的功能。
1.3 公平锁和非公平锁
关于锁的的公平性和非公平行，AQS的处理方法是，在竞争锁资源的时候，公平锁要判断双向链表中是否有阻塞的线程，如果有则需要去排队等待。而非公平锁的处理方式是，不管双向链表中是否有阻塞的线程在排队等待，它都会去尝试去修改state变量去竞争锁，这个过程是非公平的
1.3 锁竞争
AQS对于锁竞争通过维护一个双向链表实现的队列来完成，其第一个节点为哨兵节点。AQS相关代码如下：
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;- head：队列头结点
- tail：队列尾节点
- state：为锁状态，默认值0；s尝试获取锁即通过cas方法把state由0置为1，成功表示获取了锁，失败执行其他操作。
内部链表节点类部分代码如下下：
static final class Node {
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
// 省略其他相关代码
}- SHARED：共享锁模式
- EXCLUSIVE：独占锁模式
- waitStatus：节点(任务)状态，取值为0(默认)，CANCELLED，SIGNAL，CONDITION，PROPAGATE
- 0默认，新建
- CANCELLED：任务取消
- SIGNAL：有职责唤醒后继节点
- CONDITION：要阻塞在条件变量队列中的节点
- PROPAGATE：后面用到在介绍
- prev：前驱
- next：后继
- thread：任务线程
1.4 条件变量
AQS支持多个条件变量，条件变量阻塞队列为单链表，内部条件变量类部分代码如下：
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
/** First node of condition queue. */
private transient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
private transient Node lastWaiter;
public final void signal() {//省略其他代码}
public final void await() throws InterruptedException {//省略其他代码}
// 省略其他代码
}- 解析
- firstWaiter：表头
- lastWaiter：表尾
- signal()：唤醒
- await()：等待（阻塞）
- 说明：阻塞在条件变量上的线程被唤醒后，它还是要去竞争锁的，即会加入锁竞争的队列。
2 ReentrantLock
2.1 简介
ReentrantLockUML如下图2.1所示：
ReentrantLock为一种可重入，可打断的独占式锁。默认实现为非公平锁，默认构造方法如下：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}关于可重入，可打断和公平锁的实现原理我们会在后面分析，下面优先讲解锁的主要功能加锁和解锁。
2 加锁
当前线程获取锁有2种结果，成功或者失败。如下所示ReentrantLock的加锁源代码：
public void lock() {
sync.lock();
}
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}2.1 加锁成功
通过cas的方式把state由0设置为1，成功，获取锁成功，把exclusiveOwnerThread独占线程标识设置为当前线程，执行相关操作。
2.2 加锁失败
竞争锁失败执行acquire(1)方法，源代码如下：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}- tryAcquire()：尝试获取锁
- acquireQueued()：加入竞争锁队列
- addWaiter：加入队尾
- selfInterrupt()：自我打断
2.2.1 tryAcquire()
tryAcquire()默认执行非公平锁的tryAcquire()方法，源代码如下：
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)) {
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;
}执行流程如下：
- 获取当前线程current和锁状态state
- 判断state==0
- 是表示锁未被占用，即已被释放
- compareAndSetState(0, acquires)cas把state由0设置为1
- 竞争锁成功
- setExclusiveOwnerThread(current);设置锁持有线程为当前线程
- 返回true
- 否表示锁被占用，判断current == getExclusiveOwnerThread()当前线程释放是持有锁的线程
- 是表示锁重入，即当前持有锁的线程再次获取锁
- 锁状态(计数)+1赋值nextc
- 如果nextc小于0，表示溢出，直接报错
- setState(nextc);返回true
- 返回false
执行流程图如下图 2.2.1-1所示：
2.2.2 addWaiter()
源代码如下：
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;
}
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;
}
}
}
}该方法目标是把当前线程节点插入队列尾部，先执行判断尾节点是否为空
- 尾节点为空，执行enq()方法先创建哨兵节点，在插入队尾
- 尾节点不为空，直接插入队尾
2.2.3 acquireQueued()
2.2.3.1 主方法
加入竞争锁队列后会根据情况尝试获取锁或者阻塞，源代码如下：
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);
}
}执行流程如下：
- 设置failed失败标记，进入try{}finally{}快
- 设置interrupted打断标记，进入for(;;)循环
- 获取目标节点的前驱节点
- 判断前驱节点是否是头结点
- 是头结点尝试获取锁
- 成功
- 把当前节点设置为头结点即哨兵节点与线程解绑
- 原先的头结点端口连接，等待被GC回收
- 返回打断标记，这里是for循环唯一的出口
- 不是头结点或者尝试获取锁失败，进入阻塞流程
- shouldParkAfterFailedAcquire()，前驱节点等待状态置为Node.SIGNAL，失败继续循环
- parkAndCheckInterrupt(),park()阻塞，直至被唤醒或者被打断
- 被唤醒继续执行for循环
- 被打断，打断标记设为true,继续执行for循环
2.2.3.2 shouldParkAfterFailedAcquire()
源代码如下：
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}该方法的目标就是设置目标节点node的前驱节点pred的waitStatus为Node.SIGNAL，该状态意味着它有责任唤醒它的后记节点。
执行流程如下：
- 获取前驱节点pred的waitStatus等待状态
- 如果ws == Node.SIGNAL(-1)，直接返回true，执行parkAndCheckInterrupt()方法
- 如果ws > 0 ，意味着该节点线程(任务)被取消，跳过该节点继续寻找waitStatus<=0的节点(有头结点兜底），并将该节点设置为目标节点的前驱节点
- 否则cas尝试把pred的waitStatus由当前ws设置为Node.SIGNAL
- 返回false,意味着调用该方法的acquireQueued()继续执行for循环
2.2.3.3 parkAndCheckInterrupt()
源代码如下：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}该方法就是阻塞，之所以说默认是不可打断模式，就是这里。被打断之后，只是返回true且清除了打断标记。返回上传调用方法acquireQueued继续执行for循环，直至获得锁，返回打断标记true。
2.2.4 selfInterrupt()
源代码如下：
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}执行该方法的前提是线程在阻塞的时候被打断且获取到锁，然后执行自我打断。
3 解锁
释放锁源代码如下：
public void unlock() {
sync.release(1);
}3.1 解锁成功
3.1.1 tryRelease()方法
源码如下：
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;
}既然执行释放锁操作，说明当前线程已经获取锁。
执行流程如下：
- c：状态-1
- 判断当前线程不等于为锁持有线程，抛异常，一般不会发生
- 设置free标记
- 如果c==0
- free设置true,把当前所持有线程置为null
- 如果c!=0，说明存在锁重入
- setState©：state设置新值c
- 返回free
3.1.2 release()方法
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}在tryRelease()方法返回true之后，判断如果竞争锁队列头结点不为空且状态!=0（-1，之前加锁流程把前驱节点状态设置），会唤醒后继节点，返回true;
3.1.3 unparkSuccessor()
源代码如下：
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
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);
}执行流程如下：
- ws：获取目标节点node的waitStatus(node这里其实是头结点，waitStatus为-1)
- 判断ws小于0
- cas设置节点node等待状态由ws置为0
- s：节点node的下一个节点
- 如果s为空(没有竞争锁的线程)或者s.waitStatus > 0(任务被取消)
- 从队尾开始循环获取一个t.waitStatus <= 0 的节点
- s不为空唤醒节点s绑定的线程
3.2 解锁失败
解锁失败情况就是存在锁重入，未解锁到最后一层。
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