java并发-----浅析ReentrantLock加锁，解锁过程，公平锁非公平锁，AQS入门，CLH同步队列

我会带着你远行 2022-05-22 01:51 165阅读 0赞

## 前言 ##

为什么需要去了解AQS，AQS，AbstractQueuedSynchronizer，即队列同步器。它是构建锁或者其他同步组件的基础框架（如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等），JUC并发包的作者（Doug Lea）期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。它是JUC并发包中的核心基础组件

本文所有源码基于JDK9  
目的：掌握大概的流程/框架  
适用人群：初学者想了解些源码的  
不适合：想深入了解的

## ReentrantLock-非公平锁 ##

我们在实际中一定会用到ReentrantLock的lock操作，那么它的实现究竟是怎样的？我们以重入锁作为切入点。

**1、构建锁，获得锁对象**

//锁的声明
    private final Sync sync;
    // 构造锁，默认非公平
    public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
    }

**2、lock方法，调用sync这个锁对象**

public void lock() {
            sync.acquire(1);
        }

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

关键性的四个方法：

1、tryAcquire：去尝试获取锁，获取成功则设置锁状态并返回true，否则返回false。该方法自定义同步组件自己实现，该方法必须要保证线程安全的获取同步状态。

2、addWaiter：如果tryAcquire返回FALSE（获取同步状态失败），则调用该方法将当前线程加入到CLH同步队列尾部。

3、acquireQueued：当前线程会根据公平性原则来进行阻塞等待（自旋）,直到获取锁为止；并且返回当前线程在等待过程中有没有中断过。

4、selfInterrupt：产生一个中断。

### tryAcquire ###

/** * Sync object for non-fair locks */
        static final class NonfairSync extends Sync { 
            private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
            protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
                return nonfairTryAcquire(acquires);
            }
        }

加锁，是通过NonfairSync的这个方法实现的，但是NofairSync并没有它的实际代码。真正实现的是它的父类Sync。

**nonfairTryAcquire(int 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;
            }

**getState()，这个方法在AQS中，用户获取锁的状态值。**

/** * Returns the current value of synchronization state. * This operation has memory semantics of a {@code volatile} read. * @return current state value */
        protected final int getState() {
            return state;
        }

下面来解释一下state在独占锁的作用是什么，结合下nonfairTryAcquire(int acquires)。

*  首先第一个if条件，state = 0 的时候代表着，当前锁没有被某个线程占用，然后通过CAS操作设置线程的状态为值1，并且把当前线程设置为独占锁的拥有者。
 *  第二个if，当state!=0的时候，代表这个锁已经被别的线程占着了，就判断，这个是不是这个锁的拥有者，如果是的话，锁state就+1，这就巧妙地设置了重入锁的。每次+1的机制

### CLH同步队列 ###

在介绍addWaiter前，先来看一下CLH同步队列，就看着大佬们在说CLH但是少有人说他是啥，我解释一下啊

> The wait queue is a variant of a “CLH” (Craig, Landin, and Hagersten) lock queue. CLH locks are normally used for spinlocks

1、名称：CLH 由三个人名字组成 (Craig, Landin, and Hagersten)  
2、基本数据结构：基于FIFO双端链表  
3、用途：用于等待资源释放的队列。也就是等待锁释放的队列

注意：由于笔者是初学者，觉得CLH队列中的等待状态转换略微复杂，故意跳过。只看它们的方法，并没有特别深入

### addWaiter ###

/** * Creates and enqueues node for current thread and given mode. * * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared * @return the new node */
        private Node addWaiter(Node mode) {
            Node node = new Node(mode);
    
            for (;;) {
                Node oldTail = tail;
                if (oldTail != null) {
                    node.setPrevRelaxed(oldTail);
                    if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {
                        oldTail.next = node;
                        return node;
                    }
                } else {
                    initializeSyncQueue();
                }
            }
        }

与JDK8不同的地方是，addWaiter直接使用自旋（无限循环）去完成入队的操作，而不是调用enq，实现的内容和enq差不多。下面给出enq的代码

/** * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. * @param node the node to insert * @return node's predecessor */
        private Node enq(Node node) {
            for (;;) {
                Node oldTail = tail;
                if (oldTail != null) {
                    node.setPrevRelaxed(oldTail);
                    if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {
                        oldTail.next = node;
                        return oldTail;
                    }
                } else {
                    initializeSyncQueue();
                }
            }
        }

注意addWaiter的返回值，是新加入的节点下面有用

### acquireQueued ###

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
            try {
                // 中断标识
                boolean interrupted = false;
                // 自旋
                for (;;) {
                    final Node p = node.predecessor();
                    // 如果当前线程节点的前驱节点是头结点，并且尝试获得锁成功
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        return interrupted;
                    }
                    // 如果获取锁失败了，就进入挂起。
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } catch (Throwable t) {
                cancelAcquire(node);
                throw t;
            }
        }

关于挂起和唤醒，就先不看了，主要还是理解下流程。过多的细节会拖慢新手的学习之路，一定要记住这个！！

## RenentrantLock-公平锁 ##

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
    }

公平锁和非公平锁在于第一个判断条件中的，hasQueuedPredecessors()这个方法。

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
            Node t = tail; 
            Node h = head;
            Node s;
            // 头节点不是尾节点
            // 第一个节点不为空
            // 当前节点是头节点
            return h != t &&
                ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
        }

从源码我们可以验证，公平和非公平的标准是否是按照队列的顺序进行锁的获取的原理。

**小结：**  
到这里，加锁基本上就是结束了，我们忽略了挂起和唤醒这种复杂的操作。加锁的操作中，阻塞队列是由AQS使用CLH进行维护的。ReentrantLock，的同步操作主要还是依赖于AQS。

## 释放锁 ##

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;
    }

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;
    }

调用Sync的tryRelease，减小state值，然后uppark进行唤醒下一个节点PS，笔者忽略了唤醒的操作。

## 总结 ##

本文针对和我一样刚入门不久的新手，从整体上以重入锁的加锁和解锁，去了解了一些AQS的CLH队列的基本内容，未涉及深层次，顺便看了下公平和非公平的实现。算作是一种了解把，个人感觉太细节的东西，新手看了也没用。还是从宏观上把握把握，会用，然后了解点源码，方便以后再来学习。