深入理解Lock的底层实现原理

冷不防 2022-05-21 13:41 291阅读 0赞

lock的实现完全是由java写的，和操作系统或者是JVM虚拟机没有任何关系。整体来看Lock主要是通过两个东西来实现的分别是CAS和ASQ(AbstractQueuedSynchronizer)。通过加锁和解锁的过程来分析锁的实现。

# 加锁 #

## 一、整体概述流程 ##

1. 读取表示锁状态的变量

2. 如果表示状态的变量的值为0，那么当前线程尝试将变量值设置为1（通过CAS操作完成），当多个线程同时将表示状态的变量值由0设置成1时，仅一个线程能成功，其它线程都会失败。失败后进入队列自旋转并阻塞当前线程。

2.1 若成功，表示获取了锁，

2.1.1 如果该线程（或者说节点）已位于在队列中，则将其出列（并将下一个节点则变成了队列的头节点）

2.1.2 如果该线程未入列，则不用对队列进行维护

2.1.3 然后当前线程从lock方法中返回，对共享资源进行访问。

2.2 若失败，则当前线程将自身放入等待（锁的）队列中并阻塞自身，此时线程一直被阻塞在lock方法中，没有从该方法中返回（被唤醒后仍然在lock方法中，并从下一条语句继续执行，这里又会回到第1步重新开始）。

3. 如果表示状态的变量的值为1，那么将当前线程放入等待队列中，然后将自身阻塞

###          注意: 唤醒并不表示线程能立刻运行，而是表示线程处于就绪状态，仅仅是可以运行而已 ###

## 二、具体的实现细节(非公平锁) ##

简单说来，AbstractQueuedSynchronizer会把所有的请求线程构成一个CLH队列，当一个线程执行完毕（lock.unlock()）时会激活自己的后继节点， 但正在执行的线程并不在队列中，而那些等待执行的线程全部处于阻塞状态，经过调查线程的显式阻塞是通过调用LockSupport.park()完成，而LockSupport.park()则调用sun.misc.Unsafe.park()本地方法，再进一步，HotSpot在 [Linux][]中中通过调用pthread\_mutex\_lock函数把线程交给系统内核进行阻塞。

### 1、lock方法实现(公平锁与非公平锁的由来) ###

当有线程竞争锁时，当前线程会首先尝试获得锁而不是在队列中进行排队等候，这对于那些已经在队列中排队的线程来说显得不公平，这也是非公平锁的由来。源码如下：

final void lock() {
          if (compareAndSetState(0, 1))
          setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
          else
          acquire(1);
    }

对于刚来竞争的线程首先会通过CAS设置状态，如果设置成功那么直接获取锁，执行临界区的代码，反之调用acquire(1)进入同步队列中。如果已经存在Running线程，那么CAS肯定会失败，则新的竞争线程会通过CAS的方式被追加到队尾。

### 2、解析acquire（1）方法 ###

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

当CAS同步状态为1失败时才会执行上面的代码，上面的代码的作用是完成同步状态的获取，构造用于放入队列中的节点(可以理解为线程任务)，加入到队列中，单个节点自己自旋用于检查目前队列中的状况以及当前节点或者是线程阻塞。该方法主要由以下几个方法构成 tryAcquire() addWaiter()和AcquireQueued()。

####  2.1 nonfairTryAcquire 获取同步状态 ####

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()) {
       //说明有线程拥有了该锁，这个线程就是自己本身那么状态++
             int nextc = c + acquires;
             if (nextc < 0) // overflow  
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
             setState(nextc);
             return true;
          }
          return false;
    }

1、 该方法会首先判断当前状态，如果c==0说明没有线程正在竞争该锁，如果不c !=0 说明有线程正拥有了该锁。

2、 如果发现c==0，则通过CAS设置该状态值为acquires,acquires的初始调用值为1，每次线程重入该锁都会+1，每次unlock都

会-1，但为0时释放锁, 这也就是为什么一个lock要对应这个一个unlock的原因。

3、如果CAS设置成功，则可以预计其他任何线程调用CAS都不会再成功，也就认为当前线程得到了该锁，也作为Running线程，很       显然这个Running线程并未进入等待队列。

4、如果c !=0 但发现自己已经拥有锁，只是简单地++acquires，并修改status值，但因为没有竞争，所以通过setStatus修改，而非        CAS， 也就是说这段代码实现了偏向锁的功能。

### 2.2  addWaiter 构建入队节点 ###

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;
     }

addWaiter方法负责把当前无法获得锁的线程包装为一个Node添加到队尾。

其中参数mode是独占锁还是共享锁，默认为null，独占锁。追加到队尾的动作分两步：   
     1、如果当前队尾已经存在(tail!=null)，则使用CAS把当前线程更新为Tail

2、如果当前Tail为null或则线程调用CAS设置队尾失败，则通过enq方法继续设置Tail   
  下面是enq方法：

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

该方法就是循环调用CAS，即使有高并发的场景，无限循环将会最终成功把当前线程追加到队尾（或设置队头）。总而言之，addWaiter的目的就是通过CAS把当前线程追加到队尾，并返回包装后的Node实例。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
          try {
          boolean interrupted = false;
          for (;;) {
    final Node p = node.predecessor();
          if (p == head && tryAcquire(arg)) {
       //前驱节点等于头节点，尝试获取同步状态
          setHead(node);
          p.next = null; // help GC  
          return interrupted;
          }
          if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
          parkAndCheckInterrupt())
          interrupted = true;
          }
          } catch (RuntimeException ex) {
          cancelAcquire(node);
          throw ex;
          }
          }

### 2.3 acquireQueued 线程对外行为上阻塞，内部自旋 ###

acquireQueued的主要作用是把已经追加到队列的线程节点（addWaiter方法返回值）进行阻塞，但阻塞前又通过tryAccquire重试是否能获得锁，如果重试成功能则无需阻塞，直接返回。

仔细看看这个方法是个无限循环，感觉如果p == head && tryAcquire(arg)条件不满足循环将永远无法结束，当然不会出现死循环，奥秘在于第12行的parkAndCheckInterrupt会把当前线程挂起，从而阻塞住线程的调用栈。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
          LockSupport.park(this);
          return Thread.interrupted()
    }

如前面所述，LockSupport.park最终把线程交给系统（Linux）内核进行阻塞。当然也不是马上把请求不到锁的线程进行阻塞，还要检查该线程的状态，比如如果该线程处于Cancel状态则没有必要，具体的检查在shouldParkAfterFailedAcquire中，

shouldParkAfterFailedAcquire就是靠前继节点判断当前线程是否应该被阻塞，如果前继节点处于CANCELLED状态，则顺便删除这些节点重新构造队列。

# 解锁    #

请求锁不成功的线程会被挂起在acquireQueued方法的第12行，12行以后的代码必须等线程被解锁锁才能执行，假如被阻塞的线程得到解锁，则执行第13行，即设置interrupted = true，之后又进入无限循环。  
   从无限循环的代码可以看出，并不是得到释放锁的线程一定能获得锁，必须在第6行中调用tryAccquire重新竞争，因为锁是非公平的，有可能被新加入的线程获得，从而导致刚被唤醒的线程再次被阻塞，这个细节充分体现了“非公平”的精髓。通过之后将要介绍的解锁机制会可以发现，第一个释放的线程就是Head，因此p == head的判断基本都会成功。  
    解锁代码相对简单，主要体现在AbstractQueuedSynchronizer.release和Sync.tryRelease方法中class AbstractQueuedSynchronizer

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

tryRelease语义很明确：如果线程多次锁定，则进行多次释放，直至status==0则真正释放锁，所谓释放锁即设置status为0，因为无竞争所以没有使用CAS。 release的语义在于：如果可以释放锁，则唤醒队列第一个线程（Head），具体唤醒代码如下：

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);
          }

这段代码的意思在于找出第一个可以unpark的线程，一般说来head.next == head，Head就是第一个线程。以上就是加锁解锁的全部过程，需要注意几点：

1、正在执行的线程节点并没有在队列中

2、首节点被唤醒后只是说不是阻塞状态了，并不是说他一定可以运行，还需要尝试获取同步状态来竞争是运行还是再次被阻塞(命运多舛啊)。

## 简述总结： ##

总体来讲线程获取锁要经历以下过程(非公平)：

1、调用lock方法，会先进行cas操作看下可否设置同步状态1成功，如果成功执行临界区代码

2、如果不成功获取同步状态，如果状态是0那么cas设置为1.

3、如果同步状态既不是0也不是自身线程持有会把当前线程构造成一个节点。

4、把当前线程节点CAS的方式放入队列中，行为上线程阻塞，内部自旋获取状态。

5、线程释放锁，唤醒队列第一个节点，参与竞争。重复上述。

转载自[https://blog.csdn.net/liyantianmin/article/details/54673109][https_blog.csdn.net_liyantianmin_article_details_54673109]

[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux
[https_blog.csdn.net_liyantianmin_article_details_54673109]: https://blog.csdn.net/liyantianmin/article/details/54673109