Lock锁底层原理实现
synchronized与lock
lock是一个接口，而synchronized是在JVM层面实现的。synchronized释放锁有两种方式：
-
获取锁的线程执行完同步代码，释放锁 。
-
线程执行发生异常，
jvm会让线程释放锁。
lock锁的释放，出现异常时必须在finally中释放锁，不然容易造成线程死锁。lock显式获取锁和释放锁，提供超时获取锁、可中断地获取锁。
synchronized是以隐式地获取和释放锁，synchronized无法中断一个正在等待获取锁的线程。
synchronized原始采用的是CPU悲观锁机制，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。
Lock用的是乐观锁方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁实现的机制就是CAS操作。
具体的悲观锁和乐观锁的详细介绍请参考这篇文章[浅谈数据库乐观锁、悲观锁]
在JDK5中增加了一个Lock接口实现类ReentrantLock.它不仅拥有和synchronized相同的并发性和内存语义,还多了锁投票,定时锁,等候和中断锁等.它们的性能在不同的情况下会有不同。
在资源竞争不是很激烈的情况下,synchronized的性能要由于ReentrantLock,但是在资源竞争很激烈的情况下,synchronized的性能会下降得非常快,而ReentrantLock的性能基本保持不变.
接下来我们会进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState。
lock源码
在阅读源码的成长的过程中，有很多人会遇到很多困难，一个是源码太多，另一方面是源码看不懂。在阅读源码方面，我提供一些个人的建议：
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第一个是抓主舍次，看源码的时候，很多人会发现源码太长太多，看不下去，这就要求我们抓住哪些是核心的方法，哪些是次要的方法。当舍去次要方法，就会发现代码精简和很多，会大大提高我们阅读源码的信心。
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第二个是不要死扣，有人看源码会一行一行的死扣，当看到某一行看不懂，就一直停在那里死扣，知道看懂为止，其实很多时候，虽然看不懂代码，但是可以从变量名和方法名知道该代码的作用，java中都是见名知意的。
接下来进入阅读lock的源码部分，在lock的接口中，主要的方法如下：
public interface Lock {
// 加锁
void lock()；
// 尝试获取锁
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 解锁
void unlock();
}
在lock接口的实现类中，最主要的就是ReentrantLock，来看看ReentrantLock中lock()方法的源码：
// 默认构造方法，非公平锁
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
// 构造方法，公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
// 加锁
public void lock() {
sync.lock();
}
在初始化lock实例对象的时候，可以提供一个boolean的参数，也可以不提供该参数。提供该参数就是公平锁，不提供该参数就是非公平锁。
什么是非公平锁和公平锁呢？
非公平锁就是不按照线程先来后到的时间顺序进行竞争锁，后到的线程也能够获取到锁，公平锁就是按照线程先来后到的顺序进行获取锁，后到的线程只能等前面的线程都获取锁完毕才执行获取锁的操作，执行有序。
我们来看看lock()这个方法，这个有区分公平锁和非公平锁，这个两者的实现不同，先来看看公平锁，源码如下：
// 直接调用 acquire(1)
final void lock() {
acquire(1);
}
我们来看看acquire(1)的源码如下：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
这里的判断条件主要做两件事：
-
通关过该方法
tryAcquire(arg)尝试的获取锁 -
若是没有获取到锁，通过该方法
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)就将当前的线程加入到存储等待线程的队列中。
其中tryAcquire(arg）是尝试获取锁，这个方法是公平锁的核心之一，它的源码如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取当前线程拥有着的状态
int c = getState();
// 若为0，说明当前线程拥有着已经释放锁
if (c == 0) {
// 判断线程队列中是否有，排在前面的线程等待着锁，若是没有设置线程的状态为1。
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 设置线程的拥有着为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
// 若是当前的线程的锁的拥有者就是当前线程，可重入锁
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 执行状态值+1
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 设置status的值为nextc
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
在tryAcquire()方法中，主要是做了以下几件事：
-
判断当前线程的锁的拥有者的状态值是否为0，若为0，通过该方法
hasQueuedPredecessors()再判断等待线程队列中，是否存在排在前面的线程。 -
若是没有通过该方法
compareAndSetState(0, acquires)设置当前的线程状态为1。 -
将线程拥有者设为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current) -
若是当前线程的锁的拥有者的状态值不为0，说明当前的锁已经被占用，通过
current == getExclusiveOwnerThread()判断锁的拥有者的线程，是否为当前线程，实现锁的可重入。 -
若是当前线程将线程的状态值+1，并更新状态值。
公平锁的tryAcquire()，实现的原理图如下：
我们来看看acquireQueued()方法，该方法是将线程加入等待的线程队列中，源码如下：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
// 死循环处理
for (;;) {
// 获取前置线程节点
final Node p = node.predecessor();
// 这里又尝试的去获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
// 直接return interrupted
return interrupted;
}
// 在获取锁失败后，应该将线程Park(暂停)
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireQueued()方法主要执行以下几件事：
-
死循环处理等待线程中的前置节点，并尝试获取锁，若是
p == head && tryAcquire(arg)，则跳出循环，即获取锁成功。 -
若是获取锁不成功
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt()就会将线程暂停。
在acquire(int arg)方法中，最后若是条件成立，执行下面的源码：
selfInterrupt();
// 实际执行的代码为
Thread.currentThread().interrupt();
即尝试获取锁失败，就会将锁加入等待的线程队列中，并让线程处于中断等待。公平锁lock()方法执行的原理图如下：
之所以画这些原理的的原因，是为后面写一个自己的锁做铺垫，因为你要实现和前人差不多的东西，你必须了解该东西执行的步骤，最后得出的结果，执行的过程是怎么样的。
有了流程图，在后面的实现自己的东西才能一步一步的进行。这也是阅读源码的必要之一。
在lock()方法，其实在lock()方法中，已经包含了两方面：
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锁方法
lock()。 -
尝试获取锁方法
tryAquire()。
接下来，我们来看一下unlock()方法的源码。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
直接调用release(1)方法，来看release方法源码如下：
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放当前节点
if (tryRelease(arg)) {
// 取出头节点
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 释放锁后要即使唤醒等待的线程来获取锁
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
通过调用tryRelease(arg)，尝试释放当前节点，若是释放锁成功，就会获取的等待队列中的头节点，就会即使唤醒等待队列中的等待线程来获取锁。接下来看看tryRelease(arg)的源码如下：
// 尝试释放锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 将当前状态值-1
int c = getState() - releases;
// 判断当前线程是否是锁的拥有者，若不是直接抛出异常，非法操作，直接一点的解释就是，你都没有拥有锁，还来释放锁，这不是骗人的嘛
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//执行释放锁操作 1.若状态值=0 2.将当前的锁的拥有者设为null
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 重新更新status的状态值
setState(c);
return free;
}
总结上面的几个方法，unlock释放锁方法的执行原理图如下：
对于非公平锁与公平锁的区别，在非公平锁尝试获取锁中不会执行hasQueuedPredecessors()去判断是否队列中还有等待的前置节点线程。
如下面的非公平锁，尝试获取锁nonfairTryAcquire()源码如下：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 直接就将status-1，并不会判断是否还有前置线程在等待
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;
}
以上就是公平锁和非公平锁的主要的核心方法的源码，接下来我们实现自己的一个锁，首先依据前面的分析中，要实现自己的锁，拥有的锁的核心属性如下：
-
状态值
status，0为未占用锁，1未占用锁，并且是线程安全的。 -
等待线程队列，用于存放获取锁的等待线程。
-
当前线程的拥有者。
lock锁的核心的Api如下：
-
lock方法 -
trylock方法 -
unlock方法
依据以上的核心思想来实现自己的锁，首先定义状态值status，使用的是AtomicInteger原子变量来存放状态值，实现该状态值的并发安全和可见性。定义如下：
// 线程的状态 0表示当前没有线程占用 1表示有线程占用
AtomicInteger status =new AtomicInteger();
接下来定义等待线程队列，使用LinkedBlockingQueue队列来装线程，定义如下：
// 等待的线程
LinkedBlockingQueue waiters = new LinkedBlockingQueue();
最后的属性为当前锁的拥有者，直接就用Thread来封装，定义如下：
// 当前线程拥有者
Thread ownerThread =null;
接下来定义lock()方法，依据上面的源码分析，在lock方法中主要执行的几件事如下：
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死循环的处理等待线程队列中的线程，知道获取锁成功，将该线程从队列中删除，跳出循环。
-
获取锁不成功，线程处于暂停等待。
@Override
public void lock() {
// TODO Auto-generated method stub
// 尝试获取锁
if (!tryLock()) {
// 获取锁失败，将锁加入等待的队列中
waitersQueue.add(Thread.currentThread());
// 死循环处理队列中的锁，不断的获取锁
for (;;) {
if (tryLock()) {
// 直到获取锁成功，将该线程从等待队列中删除
waitersQueue.poll();
// 直接返回
return;
} else {
// 获取锁不成功，就直接暂停等待。
LockSupport.park();
}
}
}
}
然后是trylock方法，依据上面的源码分析，在trylock中主要执行的以下几件事：
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判断当前拥有锁的线程的状态是否为0，为0，执行状态值+1，并将当前线程设置为锁拥有者。
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实现锁可重入
@Override
public boolean tryLock() {
// 判断是否有现成占用
if (status.get()==0) {
// 执行状态值加1
if (status.compareAndSet(0, 1)) {
// 将当前线程设置为锁拥有者
ownerThread = Thread.currentThread();
return true;
} else if(ownerThread==Thread.currentThread()) {
// 实现锁可重入
status.set(status.get()+1);
}
}
return false;
}
最后就是unlock方法，依据上面的源码分析，在unlock中主要执行的事情如下：
-
判断当前线程是否是锁拥有者，若不是直接抛出异常。
-
判断状态值是否为0，并将锁拥有者清空，唤醒等待的线程。
@Override
public void unlock() {
// TODO Auto-generated method stub
// 判断当前线程是否是锁拥有者
if (ownerThread!=Thread.currentThread()) {
throw new RuntimeException("非法操作");
}
// 判断状态值是否为0
if (status.decrementAndGet()==0) {
// 清空锁拥有着
ownerThread = null;
// 从等待队列中获取前置线程
Thread t = waitersQueue.peek();
if (t!=null) {
// 并立即唤醒该线程
LockSupport.unpark(t);
}
}
}
以上就是实现自己的非公平的可重入锁，lock的源码其实并不复杂，只要认真看都能看懂，在阅读源码的过程中，会遇到比较复杂的问题。遇到问题不要慌，网上查询资料，相信很多都能找到答案，因为java的生态如此完善，几乎90%的东西网上都会有，只要沉得住气，相信一定会有所收获。