java并发包的基石：AbstractQueuedSychronier及synchornized
java并发包的基石：AbstractQueuedSychronier
简介
AQS: AbstractQueuedSychronizer(抽象的队列同步器)是java的j.u.c包中Lock、Semaphore、ReentrantLock等这些锁都是基于AQS框架实现的。
AQS有两种模式：
1. 独占模式ReentrantLock 一次只有一个线程可以竞争到锁
2. 共享模式 CountDownLatch 一次可以多个线程获取到资源
核心
AQS核心数据结构：
// CAS: compare and set 共享资源通过cas操作来保证并发修改的正确性
// state有两种共享方式：1. exclusive独占锁 ReentrantLock 2.share共享锁 CountDownLatch
volatile int state;
// 同步队列
FIFO CHL;
// 当前独占锁占有的线程
Thread exclusiveOwnerThread;
自定义同步器
不同的自定义同步器竞争共享资源的方式也不同，自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取和释放即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队，唤醒出队等）， AQS已经在顶层实现好了，自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：
// 该线程是否正在独占资源
isHeldExclusively();
// 独占方式： 尝试获取资源，成功返回true,失败返回false
tryAcquire(int);
// 独占方式，释放资源，成功返回true，失败返回false
tryRelease();
// 共享方式，尝试获取资源，负数表示失败，0表示成功，但是没有剩余资源；正数表示成功，且有剩余资源
tryAcquireShared(int);
// 共享方式，尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待节点返回true,否则返回false
tryReleaseShared(int)
ReentrantLock
ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
//加锁
reentrantLock.lock();
//释放锁
reentrantLock.unlock();
加锁
lock & unlock
public void lock() {
sync.lock();
}
final void lock() {
acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
// tryAcquire获取到锁 直接返回
// tryAcquire没有获取到锁，acquireQueued当前线程加入等待队列
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {}
selfInterrupt();
}
tryAcquire
fairSync 公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 当前没有线程获取到锁
// cas compare and set
if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)){
// 设置当前线程获取到锁
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 可重入锁，当前线程再次获取到锁
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
if nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 设置 state值，为当前重入次数
setState(nextc);
return true;
}
// 无法获取到锁
return false;
}
acquireQueued
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标记是否获取到锁资源
boolean failed = true;
try {
// 标记等待过程中是否被中断
boolean interrupted = false;
//自旋锁
for (;;) {
// 当前尝试获取锁的节点的前一个节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果当前进程时队列中的老二，那么便可尝试获取锁（等待第一个线程释放锁就可以获取到锁了）
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 可以获取到锁，将head指向该节点
setHead(node);
p.next = null;
// 表示成功获取到锁了
failed = false;
//返回等待过程中是否被中断过
return interrupted;
}
// 是否可以被挂起，挂起后等待唤醒
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
{
// 有被中断过
interrupted = true;
}
}
} finally{
// 自旋锁没有获取到锁，可能是超时中断，那么可以取消节点在队列中的等待
if (failed) {
cancelAcquird(node);
}
}
isHeldExclusively
//该线程是否正在独占锁
protected final boolean isHeldExclusively(){
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThrea();
}
class AbstractOwnableSynchronizer{
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
// 获取当前获取锁的线程
protected final Thread getExclusiveOwnerThread(){
return exclusiveOwnerThread;
}
}
释放锁
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
// 表示锁已经完全释放
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
protected final boolean tryRelease(int release) {
int c = getState() - releases;
// 当前线程是不是获取到锁的线程
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitirStateException();
boolean free = false;
// state等于0比表示占领锁的线程已经全部（重入锁）被释放了
if (c == 0) {
free = true;
//exclusiveOwnerThread 设置为null
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
java中的一些锁
synchornized
synchornized关键字是同步锁，可以加在对象、类、方法、代码块，静态方法；Sychornized是可重入的锁。
对象锁： 对象、方法、代码块
类锁：类、静态方法
类锁
public Test{
public void demo() {
// 同一个jvm只有一个线程某刻可以获取到锁
sychornized(Test.class) {
// do something
}
}
}
静态方法
public Test {
// 同一个jvm只有一个线程某刻可以获取到锁
public static sychornized void demo() {
// do somethig
}
}
对象
public Test {
public void demo() {
// 同一个Test实例只有一个线程可以获取到锁
sychornized(this) {
// do something
}
}
}
pulic void demo1() {
Test test1 = new Test();
Test test2 = new Test();
// test1与test2可以同时获的锁，因为他们获得是两把锁
test1.demo();
test2.demo();
}
方法
pubic Test{
// 同一个Test实例只有一个线程某刻可以获取到锁
public sychornized void demo(){
// de something
}
}
代码块
public Test{
// 同一个Test实例只有一个线程某刻可以获取到锁
pulic void demo(Test test){
sychornized(test) {
// do something
}
}
}
原理
当代码块使用sychornized编译后会在代码中加入监视器Monitor。
编译后的代码：
monitorenter
// 代码块编译后额命令
monitorexit
当方法声明使用sychornized时，方法编译后会设置ACC_SYNCRONIZED来标识；
当方法调用时，设置指针将会检查方法的ACC_SYNCRONIZED是否被设置了，如果被设置了，执行线程将先持有monitor，然后在执行方法，最后方法完成时释放 monitor。
sychornized是可重入的锁，因此当持有的锁再一次获取到锁，monitor的计数器仍然会加1.每一次释放monitor计数器会减一。
sychornized的锁升级过程： 无锁偏向锁-------> 轻量级锁（自旋锁） ---------> 重量级锁
偏向锁：实际无竞争，只有一个线程在获取锁，在对象的mark word通过cas记录owner为当前线程，owner的值一定会从null到有值的。
轻量级锁：自旋的获取锁，不需要进行线程切换，适合持有锁时间短，竞争不激烈，也是通过cas设置owner的值，多个线程交替短时间内持有锁
重量级锁： 当自旋一段时间，无法获取锁，轻量级锁升级为重量级锁，重量级锁通过 monitor监视器实现。
从这里看起来sychornized重入的实现和AQS的state思想是一致的。
sychornized和ReentranLock的区别
实现上： sychornized是java的关键字，有jvm实现，ReentranLock是API层面提供的。
使用上：sychornized有编译器保证锁的加锁和释放；ReentranLock需要手工声明来加锁和释放锁，忘记释放锁会造成死锁。
性能：sychornized优化后移入了偏向锁、轻量级锁（自旋锁）后两者性能差不多，官方建议如果使用场景一致，建议使用sychornized。
公平非公平锁：sychornized是非公平的，ReentranLock默认是非公平锁，可以设置为公平锁，构造方法传true。
功能区别上：
ReentranLock支持：
-
等待可中断 持有锁的线程长时间不释放的时候，正在等待的锁可以选择放弃等待，lockInterruptibly方法
-
公平锁， ReentranLock可以实现公平锁
-
锁定多个条件 ReentranLock提供了一个条件类Condition，用来实现多个对象分组唤醒线程；sychornized只能要么随机唤醒一个线程要么全部唤醒
两者的实现：
sychornized实现： 重量级锁通过monitor entry 和 monitor exist来加锁代码，偏向锁和轻量级锁通过mark word对owner字段cas设置。
ReentranLock通过AQS实现： state CHL 当前持有锁的线程。
如果选择：
当要使用ReentranLock的三个特性： 等待可中断、公平锁、多条件则选择ReentranLock，否则用sychronized
死锁
两辆车在单行道桥的两端，如果一方不让出路来，那么两俩车都过不了，这就是死锁。
innodb处理死锁的方式： 将持有最少行派他锁的事务进行回滚。
我们在实际开发中，避免死锁：大事务业务上允许插成小事务就插成是小事务。
活锁
两辆这在单行道桥的两端，两方都在给对方让路，那么两辆车都过不去，这就是活锁。
公平与非公平锁
公平锁与非公平锁在AQS中的实现：
- 公平锁：当线程想要获取锁，直接插入到CHL队列的队尾，当前线程释放了锁state等于0，则从队列队首获得锁，队列从队首到队尾依次获得。
- 当线程想要获取锁，参与竞争锁，如果竞争到则获的锁，没有竞争到，插到CHL队列队尾，后面的和公平锁一样。
也就是公平锁与非公平锁的区别是： 当线程获取锁是直接参与竞争还是不参与直接插入队尾。
重入与不可重入
可重入锁的实现：当获取state不等于0，以及持有锁的线程等于当前线程则state加1，释放的时候state减1，直到为0。
可重入锁：同一个线程可以多次获取同一把锁
不可重入锁；同一个线程如果要再次获取锁，必须等待之前获取到的锁释放，不可重入锁很容易引入死锁。
自旋锁
一个线程尝试获取锁，获取不到，不会立即阻塞，而是采用循环的方式尝试获取，acquiedQueued方法中的for(;;)就是在自旋，自旋旋可以减少线程切换的上下文开销，但是如果自旋时间过长会非常耗费cpu的性能。
乐观与悲观锁
悲观锁
在操作资源前先加锁，例如数据库中的行锁，一个线程读取到准备操作资源，其他线程只能阻塞等待了。
悲观锁认为别人在操作资源的时候会对资源进行修改，所以在它持有资源的时候，会阻塞其他线程。
select col from table where col1 > 1 for update
乐观锁
乐观锁通过版本号来实现对资源的修改，当版本号不对则重新读取再次修改，不会阻塞其他线程。
如线程A,B同时读取到资源id = 2, data = 1, 他们都做加一操作：
则：
A: update set data = 2 , version = version +1 where id = 2 and version =1 成功
B: update set data =2, version =version +1 where id = 2 and verison =1 失败
CAS： compare and set.也是乐观锁，因为CAS没有版本号所以容易发生ABA问题。
参考
从ReenttrantLock的实现看AQS的原理及应用
java并发之AQS详解
java常见锁类型