一、cas自旋原理

1、概念

CAS的全称是Compare-And-Swap，它是CPU并发原语，原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致性问题，是线程安全的。CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类的各个方法，调用UnSafe类中的CAS方法。从其命名可以发现，其本质就是比较和替换。

2、手动实现一个自旋锁

private static int num = 0;

public static boolean add(int source, int target) {
    int count = 0;
    while (true) {
        if (num == source) {
            num = target;
            return true;
        } else {
            count++;
            if (count == 10) {
                return false;
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    //线程栅栏，等待所有线程准备完毕后执行
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                //内部使用ReentrantLock重入锁
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean flag = add(0, 1);
            if (flag) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新成功==================");
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新失败");
            }
        }).start();
    }
}

结果：只有一条更新成功

Thread-0更新失败
Thread-7更新失败
Thread-6更新失败
Thread-5更新失败
Thread-4更新失败
Thread-3更新失败
Thread-8更新成功==================
Thread-2更新失败
Thread-1更新失败
Thread-9更新失败

3、底层核心

sun.misc.Unsafe是CAS的底层核心类，Unsafe类中所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务。

以ava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger的getAndIncrement方法源码分析

/**
 * 当前值自增1
 **/
public final int getAndIncrement() {
    //valueOffset系统偏移量
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

/**
 * 获取当前值var5，并加var4
 **/
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        //获取主内存当前值var5
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        //cas循环等待替换，var5+var4是替换后的值
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

4、CAS缺点

1）循环时间长CPU开销大
2）只能保证一个共享变量的原子操作
3）会引发ABA问题

5、ABA问题介绍及解决

简单通过代码实现下ABA问题,线程Thread-0先将num修改为了1，然后又将num修改成了0；线程Thread-1则认为当前num一直没有经过改变，而将其修改成了10。这里我们可以发现问题，这时候num虽然值仍然是0，但是其实已经不是最开始那个0了，这样在某些情况下就会导致问题。

private static int num = 0;

public static boolean add(int source, int target) {
    int count = 0;
    while (true) {
        if (num == source) {
            num = target;
            return true;
        } else {
            count++;
            if (count == 10) {
                return false;
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    new Thread(() -> {
        //将数据更新为1
        if (add(0, 1)) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新num为1成功");
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新num为1失败");
        }
        //将数据更新为0
        if (add(1, 0)) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新num为0成功");
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新num为0失败");
        }

    }).start();

    new Thread(() -> {
        //将数据更新为10
        if (add(0, 10)) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新num为10成功");
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "更新num为10失败");
        }

    }).start();
}

结果：

Thread-0更新num为1成功
Thread-0更新num为0成功
Thread-1更新num为10成功

上面我自行实现的自旋锁过程，下面看一个atomic原子类的实现。非常简单

public static void main(String[] args) {
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    new Thread(()->{
        atomicInteger.compareAndSet(0,1);
        atomicInteger.compareAndSet(1,0);
    }).start();

    new Thread(()->{
        boolean b = atomicInteger.compareAndSet(0, 10);
        if (b){
            System.out.println("更新为10成功");
        }else{
            System.out.println("更新为10失败");
        }
    }).start();
}

结果：

更新为10成功

ABA问题的解决：其实问题的本质原因在于我们的乐观锁只比较了值是否相等，可以通过增加其他属性的比较，例如时间戳、版本号等。这里我们采用AtomicStampedReference类解决该问题。

/**
 * 构造方法
 * @param initialRef 初始值
 * @param initialStamp  初始版本戳
 */
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
    pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
}

/**
 * CAS方法
 * @param expectedReference 初始值
 * @param newReference  替换值
 * @param expectedStamp 初始版本戳
 * @param newStamp  新版本戳
 * @return
 */
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    AtomicStampedReference.Pair current = pair;
    return
            expectedReference == current.reference &&
                    expectedStamp == current.stamp &&
                    ((newReference == current.reference &&
                            newStamp == current.stamp) ||
                            casPair(current, AtomicStampedReference.Pair.of(newReference, newStamp)));
}

实例：

public static void main(String[] args) {
    AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(0, 0);

    new Thread(() -> {
        atomicStampedReference.compareAndSet(0, 1, 0, 1);
        atomicStampedReference.compareAndSet(1, 0, 1, 2);
    }).start();

    new Thread(() -> {
        boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(0, 1, 0, 1);
        if (b) {
            System.out.println("更新为10成功");
        } else {
            System.out.println("更新为10失败");
        }
    }).start();
}

结果：

更新为10失败

二、ReentrantLock可重入锁

在上一篇基础概念中，我们使用ReentrantLock实现了线程同步问题，代码如下：

/**
 * 库存
 */
static class Inventory {

    //初始化ReentrantLock实例
    Lock lock = new ReentrantLock();

    //库存数量
    private int num = 100;

    //增加库存
    public void add(int n) {
        //加锁
        lock.lock();
        try {
            num += n;
            System.out.println("增加库存后的数量=" + num);
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

    //减少库存
    public void sub(int n) {
        //加锁
        lock.lock();
        try {
            num -= n;
            System.out.println("减少库存后的数量=" + num);
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Inventory inventory = new Inventory();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        new Thread(() -> {
            inventory.add(1);
        }).start();
    }
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        new Thread(() -> {
            inventory.sub(1);
        }).start();
    }
}

1、代码内部依赖关系

我们借ReentrantLock看下java内锁的底层结构，后续我们进行逐个节点的分析

多线程与高并发（二）-- java.util .concurrent同步工具_第1张图片

ReentrantLock底层结构

2、接下来我们来分析下底层原理：

ReentrantLock位于java.util.concurrent.locks包下，其实中包含三个内部类。
Syn：继承AbstractQueuedSynchronizer（AQS），用于实现同步机制。
FairSync：公平锁对象，继承Syn。
NonfairSync：非公平锁对象，继承Syn。

多线程与高并发（二）-- java.util .concurrent同步工具_第2张图片

ReentrantLock

2.1 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）

用来构建锁或其他同步组件的框架，是JDK中实现并发编程的核心，它提供了一个基于FIFO队列，平时我们工作中经常用到的ReentrantLock，CountDownLatch等都是基于它来实现的。
分析其源码，有两个内部类

AbstractQueuedSynchronizer内部类

Node：同步队列的模型
ConditionObject：等待队列的模型

逐一看下其内部源码：
Node源码：

  static final class Node {
    // 模式，分为共享与独占
    // 共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;        
    // 结点状态
    // CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消
    // SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark
    // CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中
    // PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
    // 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;        

    // 结点状态
    volatile int waitStatus;        
    // 前驱结点
    volatile Node prev;    
    // 后继结点
    volatile Node next;        
    // 结点所对应的线程
    volatile Thread thread;        
    // 下一个等待者
    Node nextWaiter;
    
    // 结点是否在共享模式下等待
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    
    // 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        // 保存前驱结点
        Node p = prev; 
        if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常
            throw new NullPointerException();
        else // 前驱结点不为空，返回
            return p;
    }
    
    // 无参构造函数
    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }
    
    // 构造函数
     Node(Thread thread, Node mode) {    // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    
    // 构造函数
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

ConditionObject 源码
实现了condition接口，关于condition的学习请看下一小节：三、Condition条件等待与通知

  // 内部类
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** First node of condition queue. */
    // condition队列的头结点
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    // condition队列的尾结点
    private transient Node lastWaiter;

    /**
     *  构造函数
     */
    public ConditionObject() { }

    /**
     * 添加新的waiter到wait队列
     */
    private Node addConditionWaiter() {
        // 保存尾结点
        Node t = lastWaiter;
       // 尾结点不为空，并且尾结点的状态不为CONDITION
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { 
            // 清除状态不为CONDITION的结点，对firstWaiter和lastWaiter重新赋值
            unlinkCancelledWaiters(); 
            // 将最后一个结点重新赋值给t
            t = lastWaiter;
        }
        // 新建一个结点
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        // 尾结点为空
        if (t == null) 
            // 设置condition队列的头结点
            firstWaiter = node;
        else 
            // 设置为节点的nextWaiter域为node结点
            t.nextWaiter = node;
        // 更新condition队列的尾结点
        lastWaiter = node;
        return node;
    }

    /**
     *  转移first节点到sync队列
     */
    private void doSignal(Node first) {
        // 循环
        do {
            // 将下一个节点设为首节点，如果为空
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) 
                // 设置尾结点为空
                lastWaiter = null;
            // 设置first结点的nextWaiter域
            first.nextWaiter = null;
        } while (!transferForSignal(first) &&
                 (first = firstWaiter) != null); // 将结点从condition队列转移到sync队列失败并且condition队列中的头结点不为空，一直循环
    }

    /**
     * 转移所有等待队列的节点到同步队列
     */
    private void doSignalAll(Node first) {
        // condition队列的头结点尾结点都设置为空
        lastWaiter = firstWaiter = null;
        // 循环
        do {
            // 获取first结点的nextWaiter域结点
            Node next = first.nextWaiter;
            // 设置first结点的nextWaiter域为空
            first.nextWaiter = null;
            // 将first结点从condition队列转移到sync队列
            transferForSignal(first);
            // 重新设置first
            first = next;
        } while (first != null);
    }

    /**
     * 过滤掉状态不为CONDITION的节点
     * 对firstWaiter和lastWaiter重新赋值
     **/
    private void unlinkCancelledWaiters() {
        // 保存condition队列头结点
        Node t = firstWaiter;
        Node trail = null;
        while (t != null) {
            // 下一个结点
            Node next = t.nextWaiter;
            // t结点的状态不为CONDTION状态
            if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { 
                // 设置t节点的额nextWaiter域为空
                t.nextWaiter = null;
                if (trail == null) // trail为空
                    // 重新设置condition队列的头结点
                    firstWaiter = next;
                else 
                    // 设置trail结点的nextWaiter域为next结点
                    trail.nextWaiter = next;
                if (next == null) // next结点为空
                    // 设置condition队列的尾结点
                    lastWaiter = trail;
            }
            else // t结点的状态为CONDTION状态
                // 设置trail结点
                trail = t;
            // 设置t结点
            t = next;
        }
    }

    /**
     * 实现Condition接口的signal方法
     */
    public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 保存condition队列头结点
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null) // 头结点不为空
            // 唤醒一个等待线程
            doSignal(first);
    }

    /**
     * 实现Condition的signalAll方法，唤醒所有线程
     */
    public final void signalAll() {
        if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 保存condition队列头结点
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null) // 头结点不为空
            // 唤醒所有等待线程
            doSignalAll(first);
    }

    /**
     * 与await()区别在于，使用await方法，调用interrupt()中断后会报错，而该方法不会报错。
     */
    public final void awaitUninterruptibly() {
        // 添加一个结点到等待队列
        Node node = addConditionWaiter();
        // 获取释放的状态
        int savedState = fullyRelease(node);
        boolean interrupted = false;
        while (!isOnSyncQueue(node)) { // 
            // 阻塞当前线程
            LockSupport.park(this);
            if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断
                // 设置interrupted状态
                interrupted = true; 
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) // 
            selfInterrupt();
    }

    /**
     *  等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
     */
    public final void await() throws InterruptedException {
        // 当前线程被中断，抛出异常
        if (Thread.interrupted()) 
            throw new InterruptedException();
        // 将当前线程包装成Node，尾插入到等待队列中
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放当前线程所占用的lock，在释放的过程中会唤醒同步队列中的下一个节点
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // 当前线程进入到等待状态
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) // 检查结点等待时的中断类型
                break;
        }
        // 自旋等待获取到同步状态（即获取到lock）
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
            unlinkCancelledWaiters();
        // 处理被中断的情况
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

    /**
     * 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
     */
    public final long awaitNanos(long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter();
        int savedState = fullyRelease(node);
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            if (nanosTimeout <= 0L) {
                transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return deadline - System.nanoTime();
    }

    /**
     * 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
     */
    public final boolean awaitUntil(Date deadline)
            throws InterruptedException {
        long abstime = deadline.getTime();
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter();
        int savedState = fullyRelease(node);
        boolean timedout = false;
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
                timedout = transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            LockSupport.parkUntil(this, abstime);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return !timedout;
    }

    /**
     * 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等              
     * 效于：awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
     */
    public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 1. 将当前线程包装成Node，尾插入到等待队列中
        Node node = addConditionWaiter();
        // 2. 释放当前线程所占用的lock，在释放的过程中会唤醒同步队列中的下一个节点
        int savedState = fullyRelease(node);
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        boolean timedout = false;
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            if (nanosTimeout <= 0L) {
                timedout = transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return !timedout;
    }

大概了解源码后我们通过图看下同步队列和等待队列的关系：

多线程与高并发（二）-- java.util .concurrent同步工具_第3张图片

同步队列与等待队列模型

同步队列是一个双向的链表，每个节点会存储下一个节点的信息，是一种队列的实现。
等待队列是一个单向的链表，只有使用到Condition时才会存在，并且会存在多个。
当等待队列的线程被唤醒会被添加到同步队列的尾部。

2.2 公平锁与非公平锁

二者的区别主要在于获取锁是否和排队顺序有关。当锁呗一个线程持有，其他尝试获取锁的线程会被挂起，加到等待队列中，先被挂起的在队列的最前端。当锁被释放，需要通知队列中的线程。作为公平锁，会先唤醒队列最前端的线程；而非公平锁会唤醒所有线程，通过竞争去获取锁，后来的线程有可能获得锁。

3.3 lock()和unlock()

我们通过本节的开始时提供的例子，代码跟踪发现lock()默认走的是非公平锁：

public ReentrantLock() {
    //初始化默认是非公平锁
    sync = new NonfairSync();
}

可以通过设置boolean的值设置是公平锁还是非公平锁

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

lock()方法走NonFairLock的lock方法

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

/**
  * 获取锁
 */
  final void lock() {
      //CAS尝试设置锁状态，占用锁
      if (compareAndSetState(0, 1))
          //修改状态成功，设置当前线程为独占锁拥有者
          setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
      else
          acquire(1);
   }

只有一个线程的时候会直接独占，当存在线程竞争的时候CAS获取会返回false，走acquire(1);走到AQS的acquire方法。

public final void acquire(int arg) {
    //走非公平锁的获取锁方法
    if (!tryAcquire(arg) &&
        //锁获取失败并且添加该线程到等待队列中
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        //中断当前线程
        selfInterrupt();
}

逐步看看上面代码中的几个方法
tryAcquire()走到获取非公平锁:

 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取当前状态
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            //  活跃状态，再次尝试获取锁
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        //判断当前线程是否是占用锁的线程
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            //是当前持有锁的线程，计数加1
            //TODO 这里我推测是可重入锁计数的实现，后面去验证
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

添加当前线程到同步队列

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 将尾节点设置为当前新节点的前继节点
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        //CAS设置当前节点为tail
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            //将当前节点设置为上一节点的下一节点，有点绕
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //尾节点是null
    enq(node);
    return node;
}

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            //尾节点是null，初始化头尾节点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            //将node 设置为tail，设置前后节点的prev和next
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

acquireQueued():

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //获取当前节点的前置节点
            final Node p = node.predecessor();
            //如果前置节点是头并且能重新获取到锁，应该是防止入队列时头结点被释放
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //设置当前节点为头
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                //返回中断失败
                return interrupted;
            }
            //如果前置节点不是head，也未获取到锁，立即执行中断
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

接下来分析unlock()方法：

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

public final boolean release(int arg) {
    //尝试释放
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        //head不是null，不是活跃状态
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
           //释放锁成功
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

protected final boolean tryRelease(int releases) {
        //计数减1
        int c = getState() - releases;
        //当前线程是否是持有锁的线程，不是则抛出异常
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            //没有线程持有锁
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

而公平锁获取比非公平锁多了一个判断

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            //此处增加了判断，是否有前驱节点在等待
            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;
    }
//判断是否有前驱节点在等待
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail;
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

三、Condition条件等待与通知

java的Object类型实现线程等待与通知： 应用Object的wait(),wait(long timeout),wait(long timeout, int nanos)与notify(),notifyAll()。整体上看是通过对象监视器配合完成线程间的等待/通知机制。

Condition与Lock配合完成等待通知机制：针对Object类型的等待与通知，Condition也提供了对应的方式。

针对Object的wait(),wait(long timeout),wait(long timeout, int nanos)，Condition提供了以下几个方法：

void await() throws InterruptedException:当前线程进入等待状态，如果其他线程调用condition的signal或者signalAll方法并且当前线程获取Lock从await方法返回，如果在等待状态中被中断会抛出被中断异常；
long awaitNanos(long nanosTimeout)：当前线程进入等待状态直到被通知，中断或者超时；
boolean await(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException：当前线程进入等待状态直到被通知，支持自定义时间单位
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException：当前线程进入等待状态直到被通知，中断或者到了某个指定时间

还额外提供个

void awaitUninterruptibly(); 与await()区别在于，使用await方法，调用interrupt()中断后会报错，而该方法不会报错。

针对Object的notify(),notifyAll()，Condition提供了以下几个方法：

void signal()：唤醒一个等待在condition上的线程，将该线程从等待队列中转移到同步队列中，如果在同步队列中能够竞争到Lock则可以从等待方法中返回。
void signalAll()：够唤醒所有等待在condition上的线程，将全部线程从等待队列中转移到同步队列中，如果在同步队列中能够竞争到Lock则可以从等待方法中返回。

以上锁的方式实际是在AQS中实现的，源码请看上一章节的AQS分析。

Condition与Object方式的不同：

Condition能够支持不响应中断，而通过使用Object方式不支持；
Condition能够支持多个等待队列（new 多个Condition对象），而Object方式只能支持一个；
Condition能够支持超时时间的设置，而Object不支持

Condition结合ReentrantLock的使用：

/**
 * 库存
 */
static class Inventory {

    //初始化ReentrantLock实例
    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

    //库存数量
    private int num = 100;

    //增加库存
    public void add(int n) throws InterruptedException {
        //加锁
        lock.lock();
        try {
            //先等待sub的通知
            condition.await();
            num += n;
            System.out.println("增加库存后的数量=" + num);
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

    //减少库存
    public void sub(int n) throws InterruptedException {
        //加锁
        lock.lock();
        try {
            num -= n;
            System.out.println("减少库存后的数量=" + num);
            //睡1s，为了看add方法接收通知的效果
            Thread.sleep(1000);
            condition.signal();
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

结果分析：按照代码逻辑，先走增加方法，但是被await方法阻塞了，1s后执行sub方法，减少数量后并sleep1s，使用signal方法通知add方法，最终看到sub先输出，add后输出。

减少库存后的数量=99
增加库存后的数量=100

在代码中看到，condition对象实际是调用lock的new ConditionObject()方法，new了一个ConditionObject对象，ReentrantLock的内部Sync继承了AQS，而ConditionObject是AQS的一个内部类，实现了Condition接口。接口内提供了诸多通信机制的方法，可见ReentrantLock、AQS与Condition的紧密关联。相互关系请见本章节开头的图。

有点结论可以提出一下，了解过lock和synchronized之后，发现两种锁前者是基于jvm内存模型的，后者基于代码实现，不知道同学们有没有相同感受。

四、Latch门闩

首先我们写个例子，来理解下门栓的含义：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    // 使用倒计数门闩器 ，迫使主线程进入等待 ；设置门栓的值为10
    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
    new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            //门栓值减1
            latch.countDown();
            System.out.println("当前门栓值：" + latch.getCount());
        }
    }).start();
    //阻塞主线程，等门栓值为0，主线程执行
    latch.await();
    System.out.println("主线程执行。。。");
}

结果：从以下结果可以看到，当门栓的值降到0之后，主线程执行了。

当前门栓值：9
当前门栓值：8
当前门栓值：7
当前门栓值：6
当前门栓值：5
当前门栓值：4
当前门栓值：3
当前门栓值：2
当前门栓值：1
当前门栓值：0
主线程执行。。。

接下来我们分析下原理，其中有个内部类Sync，同样继承了AQS

内部类

private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer

结合上面的例子逐步分析源码，首先初始化了一个CountDownLatch对象：

// 使用倒计数门闩器 ，迫使主线程进入等待 ；设置门栓的值为10
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);

//构造
public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}

//同步代码块
Sync(int count) {
         //设置AQS的state计数
        setState(count);
}

用await阻塞主线程：

public void await() throws InterruptedException {
    //AQS的获取中断共享锁
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //获取当前值是多少
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //获取共享锁
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    //填加获取共享锁类型到同步队列
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            //获取前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                //前驱节点等于head，尝试获取共享锁，就是获取state的值
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    //获取共享锁成功，设置当前节点为head，释放原head共享锁
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            //阻塞和中断
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

countDown()减数量，释放共享锁

public void countDown() {
    //释放共享锁
    sync.releaseShared(1);
}
//AQS释放共享锁
public final boolean releaseShared(int arg) {
    //获取state并减1
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        //无线循环并通过CAS释放所有共享锁
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

五、CyclicBarrier线程栅栏

先看一个使用例子

public static void main(String[] args) throws BrokenBarrierException, InterruptedException {

    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(6);

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备就绪");
                cyclicBarrier.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备开始");
    cyclicBarrier.await();

}

结果：5个线程和main函数进行await，当总数达到6后，开始执行。是不是很简单。

Thread-1准备就绪
Thread-4准备就绪
Thread-0准备就绪
Thread-2准备就绪
Thread-3准备就绪
main准备开始
Thread-1到达
Thread-0到达
Thread-3到达
Thread-2到达
Thread-4到达

看看源码实现：

//构造函数，parties为线程数量
public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}
//Runnable 参数，这个参数的意思是最后一个到达线程要做的任务
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

//阻塞方法
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        //引入了Condition等待队列，使用await()方法与signalAll()方法，通过counnt计数
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new Error(toe); // cannot happen
    }
}

六、Semaphore信号量

Semaphore 通常我们叫它信号量，可以用来控制同时访问特定资源的线程数量，通过协调各个线程，以保证合理的使用资源。
官方解释是Semaphore用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目，他维护了一个许可证集合，有多少资源需要限制就维护多少许可证集合，假如这里有N个资源，那就对应于N个许可证，同一时刻也只能有N个线程访问。一个线程获取许可证就调用acquire方法，用完了释放资源就调用release方法。

举个例子：

public static void main(String[] args) {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "占用时间：" + LocalDateTime.now());
                Thread.sleep(2000);
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

结果：每次只通过两个线程，等待两秒。

线程Thread-0占用时间：2020-08-24T09:45:31.738
线程Thread-1占用时间：2020-08-24T09:45:31.738
线程Thread-2占用时间：2020-08-24T09:45:33.740
线程Thread-3占用时间：2020-08-24T09:45:33.740
线程Thread-4占用时间：2020-08-24T09:45:35.740
线程Thread-5占用时间：2020-08-24T09:45:35.740
线程Thread-6占用时间：2020-08-24T09:45:37.741
线程Thread-7占用时间：2020-08-24T09:45:37.741
线程Thread-8占用时间：2020-08-24T09:45:39.741
线程Thread-9占用时间：2020-08-24T09:45:39.742

针对上面的例子，我们看下具体的实现原理：

多线程与高并发（二）-- java.util .concurrent同步工具_第4张图片

内部类

实现了三个内部类，与ReentrantLock是相同的，Syn继承的AQS，公平锁与非公平锁分别继承Sync实现同步。

初始化方法：默认非公平锁，同时定义下通行证的数量。将通行证数量设置到AQS的state。

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

获取锁方法：semaphore.acquire();

public void acquire() throws InterruptedException {
    //获取共享可中断锁
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //尝试获取共享锁，小于0，则表示当前通行证不足
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //通行证数量不足，创建阻塞队列
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

跟踪tryAcquireShared(arg)到底层：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            //获取通行证数量
            int available = getState();
            //减去需要或取得数量
            int remaining = available - acquires;
            //获取后数量小于0,直接返回获取后数量，大于0，CAS设置state
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }

跟踪doAcquireSharedInterruptibly(int arg)方法

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    //添加共享锁节点到同步队列的尾部
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
             //获得当前节点pre节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                //再次尝试获取共享锁
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                     //获取共享锁成功，设置当前节点为head，释放原head共享锁
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
           //重组双向链表，清空无效节点，挂起当前线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

释放锁方法semaphore.release()，跟踪到底层

public final boolean releaseShared(int arg) {
    //释放锁
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            //获取当前状态
            int current = getState();
            //加上要释放的值得到最新的值
            int next = current + releases;
            //加完后小于当前值，【】抛出异常
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            //CAS设置state
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            //是否需要唤醒后继节点
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                 //唤醒h.nex节点线程
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

七、Semaphore与Lock的区别（高频面试）

最主要的区别在于，Semaphore可以进行死锁恢复。

我们看下Lock的释放锁源码，以ReentrantLock为例。如果当前线程不是持有锁的线程，则抛出IllegalMonitorStateException异常，也就是说，Lock在unlock前，必须先lock，持有锁。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //计数减1
    int c = getState() - releases;
    //当前线程是否是持有锁的线程，不是则抛出异常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        //没有线程持有锁
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

而Semaphore则没有这个判断，会直接将设置state的值，增加通行证的数量。分别举两个例子看下。

public static void main(String[] args) {

    Lock lock = new ReentrantLock();

    //Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    new Thread(()->{
        lock.unlock();
    }).start();
}

结果抛出异常：

Exception in thread "Thread-0" java.lang.IllegalMonitorStateException
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
at com.cloud.bssp.thread.SemaphoreAndLock.lambda$main$0(SemaphoreAndLock.java:26)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

下面来看下semaphore的例子

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
    System.out.println("当前通行证数量:" + semaphore.availablePermits());
    new Thread(()->{
        semaphore.release();
    }).start();
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("当前通行证数量:" + semaphore.availablePermits());
}

结果：发现在release之后，数量增加的一个。我们可以利用这个特性去做死锁恢复。

简单模仿下死锁恢复的例子，两个线程一个先占用semaphore1，一个先占用semaphore2，分别sleep5秒，这时候没有释放，在去占用另外一个，发现产生了死锁，线程卡在这里不动了。main方法主线程会在10秒后去判断是否释放锁，没有的话由主线程去释放，这时候发现两个线程分别获取到了锁。

/**
 * 死锁恢复
 */
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Semaphore semaphore1 = new Semaphore(1);
    Semaphore semaphore2 = new Semaphore(1);
    new Thread(() -> {
        try {
            semaphore1.acquire();
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取semaphore1");
            Thread.sleep(5000);
            semaphore2.acquire();
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取semaphore2");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();

    new Thread(() -> {
        try {
            semaphore2.acquire();
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取semaphore2");
            Thread.sleep(5000);
            semaphore1.acquire();
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取semaphore1");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();

    Thread.sleep(10000);
    //主线程等待十秒，判断两个线程是否执行完毕，是否释放锁
    if (semaphore1.availablePermits() != 1) {
        System.out.println("发生死锁了，释放semaphore1");
        semaphore1.release();
    }
    if (semaphore2.availablePermits() != 1) {
        System.out.println("发生死锁了，释放semaphore2");
        semaphore2.release();
    }
}

结果：

线程Thread-0获取semaphore1
线程Thread-1获取semaphore2
发生死锁了，释放semaphore1
发生死锁了，释放semaphore2
线程Thread-1获取semaphore1
线程Thread-0获取semaphore2

八、ThreadLocal线程本地变量（高频面试）

顾名思义，ThreadLocal可以理解为线程本地变量，当创建了ThreadLocal变量，那么线程对于ThreadLocal的读取就是相互隔离的，不会产生影响。

8.1 使用实例

先抛个实际使用的例子扔在这，10个线程分别对ThreadLocal进行加1，最终结果都是101，每个线程修改了各自的本地变量。如果是int类型的，结果应该为110，体现了线程本地变量的特性。

/**
 * 库存
 */
static class Inventory {

    private ThreadLocal num = ThreadLocal.withInitial(() -> 100);

    //增加库存
    public synchronized void add(int n, String threadName) {
        //增加库存
        num.set(num.get() + n);
        System.out.println("线程:" + threadName + ",增加库存后的数量=" + num.get());
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Inventory inventory = new Inventory();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            inventory.add(1, Thread.currentThread().getName());
        }).start();
    }
}

结果：

线程:Thread-0,增加库存后的数量=101
线程:Thread-2,增加库存后的数量=101
线程:Thread-1,增加库存后的数量=101
线程:Thread-3,增加库存后的数量=101
线程:Thread-7,增加库存后的数量=101
线程:Thread-9,增加库存后的数量=101
线程:Thread-8,增加库存后的数量=101
线程:Thread-6,增加库存后的数量=101
线程:Thread-4,增加库存后的数量=101
线程:Thread-5,增加库存后的数量=101

8.2 源码解读

我很难写出比这篇文章更好的了，所以直接上连接了，不在写了，这篇文章绝对是当前百度能找到最详细的了。
https://www.cnblogs.com/micrari/p/6790229.html

九、Phaser 线程阶段器（本文只介绍简单使用）

在jdk1.7中被引入，能够完成多阶段的任务，并且每个阶段可以多线程并发执行，但是需要当前阶段全部完成才能进入下一阶段，相比于CyclicBarrier或者CountryDownLatch，功能更加强大和灵活。

用法

/**
 * 线程数，即学生数量
 */
private static int PARTIES = 5;

static Phaser p = new Phaser() {

    @Override
    protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
        switch (phase) {
            case 0:
                System.out.println("第一题完成");
                return false;
            case 1:
                System.out.println("第二题完成");
                return false;
            case 2:
                System.out.println("第三题完成");
                return false;
            default:
                return true;
        }
    }
};

private static void firstQuestion() {
    System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + "，第一题");
    p.arriveAndAwaitAdvance();
}

private static void secondQuestion() {
    System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + "，第二题");
    p.arriveAndAwaitAdvance();
}

private static void thirdQuestion() {
    System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + "，第三题");
    p.arriveAndAwaitAdvance();
}

public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < PARTIES; i++) {
        new Thread(() -> {
            //线程注册
            p.register();
            firstQuestion();
            secondQuestion();
            thirdQuestion();
        }).start();
    }
}

结果：五个线程分阶段完成了每个题目

线程：Thread-1，第一题
线程：Thread-3，第一题
线程：Thread-2，第一题
线程：Thread-0，第一题
线程：Thread-4，第一题
第一题完成
线程：Thread-4，第二题
线程：Thread-3，第二题
线程：Thread-2，第二题
线程：Thread-1，第二题
线程：Thread-0，第二题
第二题完成
线程：Thread-0，第三题
线程：Thread-4，第三题
线程：Thread-1，第三题
线程：Thread-3，第三题
线程：Thread-2，第三题
第三题完成

十、Exchanger 线程数据交换器（本文只介绍简单使用）

Exchanger 是 JDK 1.5 开始提供的一个用于两个工作线程之间交换数据的封装工具类，当第一个线程调用了exchange()方法后，当前线程会进入阻塞状态，直到第二个线程也执行了exchange()方法，交换数据，继续执行。

使用实例

/**
 * 初始化string类型的Exchanger
 */
static Exchanger exchanger = new Exchanger<>();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    new Thread(() -> {
        String flag1 = "111";
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "交换前flag1=" + flag1);
        try {
            //交换数据，并进入阻塞
            flag1 = exchanger.exchange(flag1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "交换后flag1=" + flag1);
    }).start();

    Thread.sleep(1000);
    new Thread(() -> {
        String flag2 = "222";
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "交换后flag2=" + flag2);
        try {
            //交换数据，唤醒上一个线程
            flag2 = exchanger.exchange(flag2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "交换前flag2=" + flag2);
    }).start();
}

结果：在交换过后，flag1和flag2的值发生了互换。

Thread-0交换前flag1=111
Thread-1交换后flag2=222
Thread-1交换前flag2=111
Thread-0交换后flag1=222

多线程与高并发（二）-- java.util .concurrent同步工具