通过AbstractQueuedSynchronizer看Java锁/同步器的实现机制

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最近复习Java的多线程，突然想看看Java的锁是如何实现的，于是就折腾了一番，最后来到了一个关键的类AbstractQueuedSynchronizer，很久没读过源代码的我发现这个类真的很晦涩，哎老啦！

以下为正题：

 

要说Java的锁机制，还是要先介绍一下sun.misc.Unsafe这个类，这个可以说是底层JVM的一个很重要的API，里面大部分的方法都是native的，其它的方法就不介绍了，这里跟锁有关的主要为二种方法：

1. CAS方法(有必要说一下Compare And Set)：

    主要有三: compareAndSwapObject, compareAndSwapInt, compareAndSwapLong

    与其配套的方法是: objectFieldOffset, staticFieldOffset

2. 线程控制方法：

    二个：park, unpark

 

CAS方法主要用于原子操作，java几个原子类都是这些方法实现，如AtomicBoolean。一般的使用是：通过unsafe.objectFieldOffset(Field)获取属性在类对象里的偏移，然后使用unsafe.compareAndSwapInt(对象, 偏移, 期望值, 修改值)进行原子操作。

 

线程控制方法park/unpark就是就类似Thread的suspend/resume方法，park是暂停当前线程, unpark是恢复给定的线程, 那为什么不用Thread本来的方法呢，原因很简单suspend/resume在占用锁资源和死锁问题上臭名昭昭了，那park/unpark就不占用资源锁就不死锁了吗，是的如果先锁了资源再park那它跟suspend的效果一样，那问题就来了，既然一样，为什么？为什么？其间深意本人难以猜透，只能表达一下我的看法了吧：首先Unsafe不是JDK公开的API，正常情况下你都无法获取它（当然你可采用异常手段/反射的方式获取到它），它不像suspend/resume让你随意使用，这就避免了我们这些码农渣渣们不适当的使用；其次这两个方法就是为了构建Java的锁机制而产生的，它的使用规则就是在未获取锁之前park等待，unpark唤醒后继续参与锁的竞争，如果竞争不到又park，但一旦竞争到了之后就绝对不再park。

 

在线程控制的这两个方法上，我深切的感觉到，Java的设计者们想把一切都暴露给我们，而又怕我们这些渣渣毁了Java的名声，所以只把这些方法给牛人使用，让他们做成通用的基础组件instruments再来给我们这些渣渣用。这也说明了东西本没有好坏，要看用它的人。

 

XX的，花了这么久讲这一个这么简单的类，真啰嗦，加速

 

Java用java.util.concurrent.locks.LockSupport对Unsafe进行了初级封装，支持park（泊车）时间，作为基础组件。

 

而后就来到了很关键的一个类：java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

这个类关是doc就长的要命，我是边翻词典边看，终于看完了它的类doc，终于明白它就是锁相关的关键类了。这里面涉及一个名词：CLH，就是三个多么多么牛逼人物名的首字母啦，那首先想到的就是什么关键的算法和数据结构了。对了，java就是靠这个CLH，加前边Unsafe的两类方法实现了基本的锁机制。

 

其实这个CLH结构也很简单，难懂的是它的使用规则，Java使用的结构就是一个双向链表，如下：

head --> 结点 <--> 结点 <--> ... <--tail

每个结点主要有四个字段: waitStatus(等待状态), prev(前一个结点), next(后一个结点), thread(关联的thread), 还有一个与基本机制关系不大(暂没研究，用于共享锁实现)的属性nextWait.

这里面很重要的一个就是waitStatus了，waitStatus有值:CANCELLED, 0, SIGNAL, CONDITION。

 

好了，后面我真不知道该如何说下去了，因为我也没全部看懂，就试着表达一下吧。

 

首先这个锁的大体思想是这样的：

1. 一个线程要来获取一个锁，为了提高效率先尝试直接获取锁，如果成功，高高兴兴直接走人了。如果不成功，玩了，先领一个结点进队列排队吧。

 

2. 线程排完队后并没有停止，他就像一个地道的天朝人，有各种想法：万一前面的人完事了，没叫我呢，万一前面的人不想排了，走了呢。于是他不安心了：

 

   1> 首先他要看前面有几个人，如果前面就一个人了(prev==head)，那他很兴奋，就会急不可耐的问一下：哥们完事了吗(trayAquireLock)？万一那哥们完事了正在整理东西呢，是不！如果得到的回答是肯定的，他开心的一下把冲前面把人挤走了(setHead(自己))，获取锁成功。无论是前面不止一个人，还是一个人时如果得到的回答是否定的(获取锁失败)，不要紧，一样兴奋。

 

   2> 首先他问前面的人，你当前想不想排队啊，你是不是打算放弃了啊；如果前面的人打算放弃了，他又去问更前面的一个人，直到问到一个当前不打算放弃的人为止，并且立马插对到这个人之后。好了，安心了吗，没有

 

   3> 现在他到了一个不打算放弃(cancel)的人后面了，他又要考虑了，他对前面的人说：如果你好了一定要记得通知我哦～～。他并不是说完这个话就去睡觉了，他还是不放心啊，他一定要得到前面的人的明确答应（使用CAS更新前一个Node的waitStatus为signal成功），如果没有得到明确答应(CAS操作不成功)，不要紧，主角经得住各种打击，他又从1>再走一遍流程。直到获取锁成功或者前者答应他的请求。

 

  4> 如果他获锁成功当然高高兴兴走了，如果仅仅是前者答应他的请求了，那他就要开始慢长的等待了。他早了一个好沙发（Unsafe)睡觉去了(park)。

 

3 如果前面有锁的人办完事了，就会释放锁(release)，此时这个办完事的人就会想了，是不是有人要我提醒他的(看自己的waitStatus是不是signal)，如果是，好，提醒后面的人，如果不是，好，结束走人。

 

  1> 这里提醒后面的人也不是那么简单的，他首先看后面这个人是不是想放弃了，如果后面这个人已经等得心灰意冷，好吧，为了防止心灰意冷的人忘了通知他面的人（办完事就是开心，很热心的）他会跑到队尾一个一个往前面问，把所有人都问一遍，找到第一个不想走的人，唤醒之，然后走人了。

 

4 这里要特别说明的是如果在获取锁过程中，或在排队过程中，有某个要不想玩了(cancel)，他需要做一件事，首先标识自己是cancelled，然后往前找，直到找到还想玩的人a，然后看自己身后的人，如果自己是做后一个，好办，直接告诉a你是取后一个了（使用CAS操作), 如果再告诉的瞬间来了一个排队，也好办，如果

a不是第一个，就要求a办完通知后面的(CAS waitStatus)，如果a本来就是这个状态，或通知成功，那直接把后面的小弟交给a吧，如果a是第一个，或者通知失败，好吧，叫醒小弟，让小弟像第2步一样，自己求人去。

 

好了，说的我都不懂了，打住吧，这里面有些还是没想通，就是同时有多个线程做cancel操作，每人都在做上面第4步的操作，不知道会不会出现什么意想不到的情况。

 

费时啊，先结束吧！