ReentrantLock源码剖析

0.Lock与Synchronized区别

• 首先Lock下的ReentrantReadWriteLock和ReentrantLock大差不差，只是前者多了一个S锁和X锁的兼容性
• Lock是JUC包下的

Synchronized	Lock
内置的Java关键字	Java类，包括如下三个常用的可重入锁： ReentrantLock 、 ReentrantReadWriteLock
无法判断获取锁的状态	可以判断是否获取到了锁 reentrantllock.isHeldByCurrentThread
会自动释放锁 可重入	lock 必须要手动释放锁，否则会死锁。 且由于可重入机制，lock()的次数要等于unlock()
遇到阻塞就一直阻塞	可以使用tryLock(long timeout, TimeUnit unit)设置超时时间
非公平锁	可以设置是否公平,构造器ReentrantLock(boolean fair)
适合锁少量的代码同步问题,如：单例模式检锁	自由度高，适合锁大量代码
普通方法对当前对象this监视 static方法对唯一Class对象监视	监视的是new出来的ReentrantLock对象

0.1Synchronized的两个使用示例

0.1.1同步代码块

   synchronized (this) {
   。。。 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"售票一张，余票："+ --ticket);
   }

0.1.2同步方法

	public synchronized void sale(){
	。。。System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"售票一张，余票："+ --ticket);
	}

0.2ReentrantLock使用示例

• 构造器决定是否是公平锁Lock lock = new ReentrantLock( true );//公平锁
• lock.lock()不重新尝试，lock.tryLock(10,TimeUnit.SECOND)10s内重试
• 一般在finally{}中lock.unlock()

0.3读写锁

因为最下面两个方法是直接获取读、写锁，因此实际操作如下：

创建读写锁：ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock()；
加读锁：readWriteLock.readLock().lock();
开读锁：readWriteLock.readLock().unlock();

1.AQS下的两个类

1.1Node节点（双端队列）

• 这几个状态值在lock、await unlock、signal中都是不同的，起到一个状态对应的作用，也用于判断是否可以唤醒线程
• 每个ReentrantLock中维护着一个Node对象（相应的维护了一个双端队列）
• 每个Condition中也维护着一个Node对象（同上，一个condition可以对应await在很多地方），因此可以实现指定唤醒
• Node中的属性Thread非常重要，由于底层的unpark方法唤醒的是指定线程，在源码中的逻辑是：unpark()唤醒同步队列中的头节点head.thread线程
  

1.2ConditionObject

主要是使用这两个方法，其内部也用到了上述双端队列，并且在大题执行逻辑上

• signal()与lock()相似，底层都是调用 LockSupport.unpark(node.thread);
• await()与unlock()被阻塞相似，底层都是LockSupport.park(this);
• 正是由于使用Condition类，在阻塞、唤醒的操作上比传统多线程提高了很多灵活性
• 在传统的多线程中，使用notify()、notifyAll()、wait()来唤醒其他线程 和 阻塞自己并进入等待队列，等待唤醒后进入同步队列，在JUC编程中使用await()替换了Object类中的wait,signal()替换Object中的notify

1.2.1signal()指定唤醒等待队列头节点

其中doSIgnal()底层调用的就是LockSupport.unpark(node.thread);

1.2.2await()阻塞进入等待队列

着重需要注意的是：调用condition.await()很容易写成condition.wait()从而报错
这个方法与unlock调用的都是tryRelease()，底层也都是unpark()
因为Condition类的存在，await()变得异常灵活，我们可以在不同的线程用同一个condition调用await()，其等待队列维护在这个condition对象中，可以被signal()给唤醒

关于同步队列、等待队列的内容在第6号标题

2.源码分析总结

这里把结论提前放这里：

• AQS是一个抽象类，包含了Node（用于维护同步队列）、ConditionObject（也用Node维护了等待队列，给ReentrantLock提供更高的自由度，可由reentrantLock.newCondition()创建）
• CAS（乐观锁的一种实现，本身与自旋锁无关）是通过比较属性的offset偏移量来实现原子性操作，一般配合while()或者for(;;)实现自旋锁，如果只是想尝试一次获取锁，那么就不需要循环，只需要保证原子性即可
• 自旋锁只是不停尝试，真正执行语句的原子性需要CAS保证，自旋锁也一般配合阻塞实现
• 公平锁和非公平锁都用Node维护了2个双端队列，不过只有公平锁在争锁的时候会先判断是不是队列的头节点，一旦进入队列仍然是有序的
• reentrantLock.lock()和condition.await()底层都同时做了两件事：将节点放入队列、在for(;;)自旋锁中调用LockSupport.park()来阻塞线程，暂停自旋,防止消耗cpu资源，有且仅有同步队列的第二个节点在自旋
• reentrantLock.unlock()和condition.signal()底层都同时做了两件事：从自己维护的队列中取出头节点（即便是非公平锁也是取头节点）、底层调用LockSupport.park()来唤醒对应的线程
• 由此可见，ReentrantLock的非公平锁并不是真正意义上的非公平，他只是在第一次获取锁的时候非公平，一旦进入同步队列，还是得乖乖排队
• 源码中大量使用了if( && ) 的短路功能，来简化代码
• 关于LockSupport.park()，底层就是阻塞线程，lock失败、awiat都用到了他。同理unpark在unlock和signal中被使用，用于唤醒指定线程（唤醒等待队列的头节点）
• 关于同步队列与等待队列，其实lock和unlock操作的是同步队列（即使源码注释只提到了等待队列），而awati和signal分别是“将同步队列节点移到等待队列”，“将等待列队节点移到同步队列”————在第6点中细讲

3.ReentrantLock源码

• 已知 lock()在没有抢到锁的时候会导致线程阻塞，那么可以猜测相关的线程挂起逻辑是while(true) for(;;) 自旋 + park()阻塞，等待别人unpark()唤醒后继续自旋
• Java中调用CAS(乐观锁，底层是原子操作)是在Usafe类下的native方法，而这个state的值在CAS锁机制下使用的参数是stateOffset偏移量，效果相同，例如unsafe.objectFieldOffset获取偏移量，然后usafe.compareAndSwapInt执行原子指令
• 利用形如while( !unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, 0 ,1 ))来实现自旋锁，直到加到锁，其中原子性是由CAS（一种乐观锁实现）来保证的

3.1CAS实现一个简单的自旋锁

• 用while + cas 可以实现一个自旋锁（自旋的思想就是不停重试）
• 但是一直while很消耗cpu资源
• 因此，我们不能让所有等待线程都while，在源码中使用park进行阻塞自旋

3.1.1 Unsafe类的使用demo

public class AQSTest {

  public static void main(String[] args) {

    AQSTest aqsTest = new AQSTest();
    aqsTest.test();

  }


  public void test(){
    System.out.println(state);//0
    Unsafe unsafe = getUnsafe();
    boolean b     = unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, 0, 1);
    System.out.println(state);//1
  }

  
  private volatile int state = 0;//状态0则没加锁，volatile防止指令重排
  private static final Unsafe unsafe = getUnsafe();//import sun.misc.Unsafe;
  //偏移量，即在计算机中定位到state的位置，以便于原子操作
  private static Long stateOffset;

  //用静态代码块捕获异常，如果直接定义private static Long stateOffset =
  // unsafe.objectFieldOffset(AQSTest.class.getDeclaredField("state"));
  //那么则会在空参构造上抛出异常
  static {
    try {
      stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(AQSTest.class.getDeclaredField("state"));
    } catch (NoSuchFieldException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  //获取unsafe对象
  private static Unsafe getUnsafe(){
    try {
      Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
      field.setAccessible(true);
      return (Unsafe) field.get(null);
    } catch (NoSuchFieldException e) {
      e.printStackTrace();
    } catch (IllegalAccessException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return null;
  }

}

3.1.2lock和unlock

加锁解锁方法:

  public void lock(){
    Unsafe unsafe = getUnsafe();
    while ( !unsafe.compareAndSwapInt(this,stateOffset,0,1) ){
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取锁");
      try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁成功");
  }

  public void unlock(){
    Unsafe unsafe = getUnsafe();
    boolean flag     = unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, 1, 0);
    if(flag){
      System.out.println("解锁成功");
    }
  }

3.1.3两个线程测试

main中开启两个线程：

AQSTest t = new AQSTest();


new Thread(()->{
  System.out.println("线程1开始,上锁");
  t.lock();
  try {
    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
  } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
  }
  //3秒后释放锁
  t.unlock();
},"线程1").start();


new Thread(()->{
  System.out.println("线程2开始");
  t.lock();
  t.unlock();
},"线程2").start();

输出：

4.lock源码分析

• lock有两个实现 公平和非公平
• 两者的区别在于第一步tryAcquire，而第二步acquireQueued二者都是相同的（这也同时证明了非公平锁并不是真正意义上的公平）
  二者都维护了等待队列，但在获取锁时只有公平锁使用的队列顺序
• 非公平锁第一次加锁不考虑队列，会尝试两次锁（失败后进入等待队列）

4.1&&的左边条件tryAcquire

• 在这个&&的前半块，在tryAcquire 中，公平锁要先判断是不是队列队头，而非公平锁是直接cas抢锁（当然因为没有循环，只会获取一次，如果没抢到就算了）
  

• 关于排队hasQueuedPredecessors，详细内容如下（考虑了并发问题）

4.2&&的右边条件acquireQueued

在这里面公平锁与非公平锁都一样，都是使用了：
自旋锁 + park阻塞 + unpark唤醒 + 同步队列FIFO 的策略

4.2.1 addWaiter维护同步队列

（这里源码中的等待队列其实本质是同步队列，相关内容在第6号标题中）

那么非公平锁是否有维护这个队列呢？在&&的后半块：我们在addWaiter()的方法打个断点，分别测试公平锁和非公平锁，发现都会进来，就证明其实二者都维护了同步队列（只有公平锁加锁时用hasQueuedPredecessors判断是否是队列头）
debug后发现，对于addWaiter同步队列，二者的流程一致。不得不说这个addWaiter设计十分精妙，enq(Node node)方法的自旋锁完全考虑了队列为空、创建队列时被插入、新增节点时可能遇到的所有并发问题

4.2.2acquireQueued获取同步队列

刚刚分析到了加锁失败后，这里形参是刚刚生成的节点，这里最重要的是这个打框的地方，shouldParkAfterFailedAcquire(pre,node)是一个should开头的疑问句，作用是判断当前节点是不是下一个执行节点，如果是的话则执行parkAndCheckInterrupt()阻塞
而在for(;;)中是自旋的，这里阻塞了可以减少循环消耗cpu资源，也能被上一个节点成功唤醒
因为被parkAndCheckInterrupt()阻塞了，停止了循环，当上一个节点唤醒当前节点后解除阻塞，继续循环，尝试加锁（非公平锁仍有可能抢不过————存在虽然被唤醒但竞争失败的情况）

4.2.3 parkAndCheckInterrupt方法

关于LockSupport.park方法，这里参考参考链接，park是一个native方法，可以实现精准唤醒（配合队列可以指定唤醒某一个节点），其中公平锁非公平锁都用了相同逻辑的同步队列

5.unlock源码分析

5.1源码浅析

unlock调的都是同一个release()方法
这里调用unpark去唤醒下一个节点，下一个节点那边接触阻塞

5.2使用示例

这个案例主要是探究await()阻塞、

6.同步队列、等待队列

• 首先：同步队列的优先级高于等待队列，同步队列决定接下来执行哪个线程。
• 例如：有多个condition等待队列存在的情况下，需要先通过signal扔进同步队列才能确定线程的最终执行顺序

6.1同步队列

• 使用reentrantLock.lock()时，当前线程进入的是同步队列，如果阻塞也是阻塞在同步队列
• 使用reentrantLock.unlock()会将当前节点（线程）从同步队列剔除，释放锁，并通知下一个节点（LockSupport.unpark()）

6.2等待队列

• 使用condtion.await()时，将当前同步队列的头节点（当前获取锁的线程）扔到对应的condition中的队列尾，同时释放锁（与unlock逻辑相同）
• 使用condition.signal()时，将condition等待队列的头节点扔到同步队列的队尾

6.3执行流程

线程的执行顺序由同步队列决定，等待队列仅仅起到一个保存节点的作用

6.4demo

public class AwaitTest {

  public static void main(String[] args) {

    final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    final  Condition     condition = lock.newCondition();

    new Thread(()->{
      lock.lock();
      System.out.println("线程000000开始");
      System.out.println("线程000000await()阻塞，进入等待队列");
      try {
       condition.await();//线程0进入等待队列
      } catch (InterruptedException e) {
      }
      System.out.println("线程0被唤醒");
      lock.unlock();//线程0释放锁，锁交给同步队列的下一个节点
    }).start();


    new Thread(()->{
      lock.lock();
      System.out.println("线程111111开始");
      System.out.println("线程111111await()阻塞，进入等待队列，此时等待队列有线程0和1");
      try {
        //线程1从同步队列移除，进入condition等待队列，此时的condition等待队列有两个元素
        condition.await();
      } catch (InterruptedException e) {
      }
      System.out.println("线程1被唤醒");
      lock.unlock();//线程1释放锁，锁交给同步队列的下一个节点
    }).start();

    new Thread(()->{
      try {
      lock.lock();
      System.out.println("此时同步队列队首为线程2（线程2获取锁），线程222222开始");
        System.out.println("唤醒0线程————线程0从等待队列进入同步队列，当线程2 unlock后执行");
        condition.signal();//唤醒0线程

        System.out.println("唤醒1线程————线程1从等待队列进入同步队列，当线程0 unlock后执行");
        condition.signal();//唤醒1线程

        System.out.println("此时同步队列队首的线程2调用unlock释放锁，执行其他同步队列节点");
        lock.unlock();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }).start();
    
  }

}

6.4两个队列的本质

• 本质其实就是这个Node节点的结构问题。Node节点是在AQS抽象类中的，且被AQS内部类创建，因此一个ReentrantLock可以有多个Node节点（1个同步队列，多个newCondition创建的等待队列）

• 除此之外，我们用lock unlock操作的节点隶属于最外层AQS

• 而await signal操作的节点是AQS的内部类ConditionObject中的

• 因此形成了这种情况：
  lock unlock操作的是同步队列
  await signal操作的是等待队列

7.生产者消费者

7.1JUC：ReentrantLock实现

关于生产者消费者问题，只需要满足以下结构即可：

• reentrantLock对象是生产者消费者共有的
• 如果涉及库存不足，需要指定唤醒生产者，就用reentrantLock.newCondition()的await()和signal()即可