多线程和并发编程（3）—AQS和ReentrantLock实现的互斥锁

一、管程模型—MESA模型

管程是什么？

管程就是指管理共享变量，以及对共享变量的相关操作。

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。

MESA模型的核心是需要一个共享变量来表示共享资源的数量，同步等待队列中的线程请求到一个共享资源，相应共享变量要减一，一直到共享变量为0，则请求的线程阻塞在同步等待队列中，如果需要满足某些条件才能竞争共享资源，这些线程会阻塞在条件等待队列中，但条件满足后要么转移到同步等待队列中，要么直接占有共享资源。

同步等待队列：竞争共享资源暂没竞争到的线程会阻塞在同步等待队列中。

条件等待队列：在竞争资源的过程中还未达到某个条件，会阻塞在条件等待队列中，其中需要达到的条件即用条件变量表示，当满足这个条件后就会转移到同步等待队列中。

二、AQS原理

在Java中针对管程有两种实现：（1）一种是基于Object的Monitor机制，用于synchronized内置锁的实现；（2）一种是抽象队列同步器AQS，用于JUC包下Lock锁机制的实现；以下重点介绍方案（2）中的AQS。

1.实现思路

对于被请求的共享变量如果是空闲的，则将请求共享资源的线程设置为工作线程并且将共享变量减一。对于被请求资源是被占用的情况，则将该线程阻塞起来放到双向同步等待队列中，等共享资源被释放再进行申请。

2.AQS的组成

• 共享变量

AQS内部维护属性volatile int state ，其中state表示资源的可用状态，State三种访问方式：

1. getState()
2. setState()
3. compareAndSetState()

AQS实现时主要实现以下几种方法：

1. isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
2. tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
3. tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
4. tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
5. tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

• 同步队列

AQS的数据结构包括同步等待队列和条件等待队列，同步等待队列是一个双端队列CLH，每个队列元素为一个Node，Node中保存前驱后置节点、当前线程状态、当前线程以及下一个等待线程。每个Node通过获取和重置state参数来进行加锁操作。共享资源是否被占用是通过对state进行修改来实现的，当该共享资源被加锁后，就会修改state为1。条件等待队列是保存不满足条件的线程，每一个条件对于一个条件同步队列。

同步阻塞队列和条件阻塞队列在一定条件会相互转换，当条件阻塞队列满足条件的情况，就能转移到同步阻塞队列中。即同步阻塞队列中的线程只差竞争到锁，而条件阻塞队列中的线程还需要满足条件才能转移到同步阻塞队列。在Java中通过signal()或signalAll()将条件同步队列中的线程转移到同步等待队列。但不满足条件时，调用await()方法会将同步等待队列中线程转移到条件等待队列中。

• 编程模型

常见的使用AQS的编程模式如下：

public class BlockedQueue{
  final Lock lock = new ReentrantLock();
  final Condition condition1 = lock.newCondition();
  final Condition condition2 = lock.newCondition();
  //Boolean flag = true;

  // 入队
  void enq(T x) {
    lock.lock();
    try {
      while (！条件1){
        // 条件1不满足，进入1条件等待队列
        condition1.await();
      }  
      // ...
      //解锁前，唤醒条件2等待队列中线程
      condition2.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  // 出队
  void deq(){
    lock.lock();
    try {
      while (！条件2){
        // 条件2不满足，进入条件2等待队列
        condition2.await();
      }
      // ...
       //解锁前，唤醒条件1等待队列中线程
      condition1.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }  
  }
}

1. 申请一把Lock锁，即申请一个同步等待队列，每个线程进入业务处理前需要竞争锁资源，没有竞争上锁资源的线程放到同步等待队列中；
2. 在获取锁之后，会进行条件判断，如果满足条件则会在持有该锁的条件下进行业务逻辑的处理，其他线程无法并发处理，如果没有满足条件则会进入到条件同步队列中，并且暂时释放锁，等待满足条件后再参与锁竞争；

三、ReentrantLock原理

ReentrantLock是实现AQS的悲观锁。初始化状态是state为0，当调用lock()方法时候会调用tryAcquire方法将其state设为1并且锁定，之后其他线程调用tryAcquire方法将会失败并加入到同步队列阻塞，直到该线程调用unlock()方法会将此锁释放，调用tryRelease方法释放锁，将state改为0，同时注意，该线程在释放该锁之前，可以重复获得此锁，所以ReentrantLock是可重入的。

ReentrantLock内部有三个内部类，包括抽象类Sync，和其实现类NonfairSync、FairSync，可以分别实现公平锁和非公平锁，对ReentrantLock的操作基本是对Sync的操作，Sync分为公平实现FairSync和非公平实现NonfairSync，他们都是继承AQS接口。

ReentrantLock和synchronized的区别？

• 相同点：

（1）synchronied和ReentrantLock都是可重入锁；

（2）synchronied是Java的关键字，是通过JVM对对象进行加Monitor锁操作实现的；而ReentrantLock通过JDK中的AQS接口来实现，提供多种加锁、解锁方法；

• 不同点：

（1）特性：synchronied是非公平锁，ReentrantLock可以实现公平锁和非公平锁；ReentrantLock可以实现可中断、可重试、超时中断、多条件加锁机制；ReentrantLock可以实现等待多条件释放锁，总之ReentrantLock更加灵活、功能更强大；

（2）实现：Synchronized是JVM自动隐式加解锁，执行完成他会自动释放锁；ReentrantLock通过Lock()和unLock()实现手动加锁和取消加锁。

参考资料

1. 管程(Moniter)： 并发编程的基本心法：https://developer.aliyun.com/article/904581
2. Java中的管程模型:https://segmentfault.com/a/1190000021557492

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