并发编程之 AQS & ReentrantLock

1、AQS

AQS：AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器。

在Java并发包中提供的锁（java.util.concurrent.locks），都是利用 AQS 来实现的。AQS底层其实也是利用 CAS 来共同实现锁的机制。

AQS 内部核心的参数：

1. state：用于记录锁的同步状态，AQS底层的核心字段。但是，在ReentrantLock、ReentrantReadWriteReadLock的用法又是不太一样的。

2. head：如果线程获取锁失败，会进入队列等待，其中head指针就是指向等待队列的对头。

3. tail：tail指针指向等待队列的队尾。

head 指针和tail指针的类型都是 Node，Node是AQS的静态内部类，用于实现等待队列。Node主要核心参数有：waitStatus-等待状态、prev指针、next指针、thread-指向等待线程。因为有prev指针和next指针，所以这个等待队列是双向列表。

4. 各种offset：stateOffset、headOffset、tailOffset、waitStatusOffset、nextOffset。这些offset主要用于CAS操作更新字段值，每个offset会记录对应字段在类中的偏移量。在AQS中，会利用CAS来实现无锁化更新字段值。

5. unsafe：Unsfase 实例，用于执行CAS操作来更新字段值。

6. exclusiveOwnerThread：这个是AQS的父类（AbstractOwnableSynchronizer）的字段，用于标识当前成功持有锁的线程。

值得注意的是，不管是state变量、head指针，还是tail指针，他们都是利用 volatile 来修饰，来保证多线程访问中变量的可见性和一致性。

2、ReentrantLock

ReentrantLock 中有一个抽象静态内部类：Sync，它继承了 AQS，重写了AQS的某些方法：如tryRelease、isHeldExclusively。

接着，因为ReentrantLock提供了公平锁和非公平锁，所以内部有两个静态内部类，都是实现了抽象静态内部类 Sync：NoFairSync和FairSync，分别代表非公平锁和公平锁。

不管是 FairSync 还是 NoFairSync，都是利用 AQS 中的 state 来表示锁的持有状态。只要 state >= 1，即现在已经有线程在持有锁，否则等于0就是没有线程持有锁。当线程成功持有锁，即成功将 state 设置成1，那么就会将 exclusiveOwnerThread 指向当前线程，这样也可以支持锁可重入，只要获取锁的线程就是 exclusiveOwnerThread 指向的线程，那么就直接给 state 再加1就可以了，来表示当前线程再次成功获取锁。

2.1、lock() 方法加锁

不管是 ReentrantLock 中，公平锁和非公平锁的加锁逻辑会有点不一样。

非公平锁=NoFairSync：会直接尝试利用CAS将 state 从0设置成1，如果设置成功，则表示获取锁成功，此时会将 exclusiveOwnerThread 指向当前线程。否则，会调用 acqiure(1) 方法，底层是调用 AQS 的 acquire 方法。

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

公平锁=FairSync：直接调用 acquire(1) 方法，底层也是调用 AQS 的 acquire 方法。

final void lock() {
    acquire(1);
}

AQS 的 acquire 方法：

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

1、tryAcquire 方法尝试获取锁

方法比较好理解，就是调用 tryAcquire(int arg) 方法去尝试获取锁，而这个 tryAcquire 方法需要 NoFairSync 和 FairSync 自行实现。

在 ReentrantLock 中，公平锁和非公平锁的加锁逻辑是有点不太一样的。

首先是NoFairSync：非公平锁最后是调用自身的 nonfairTryAcquire 方法，里面逻辑很简单。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        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;
}

1. 获取当前锁的 state
2. 如果等于0，尝试利用 CAS 从0设置成1，如果成功，设置 exclusiveOwnerThred为当前线程，然后返回true
3. 否则，判断当前线程是否等于 exclusiveOwnerThread，如果等于，则给 state 增加1，表示可重入锁次数+1，然后返回true
4. 最后都不行就返回false表示获取锁失败。

接着是FairSync：这里和非公平锁不同的一点是，如果state=0，还需要判断等待队列中是否有线程在等待，如果没有才可以去尝试利用 CAS 去将state从0设置成1，如果成功就设置 exclusiveOwnerThread 为当前线程，然后返回true表示获取锁成功。如果state不等于0，和非公平锁一样，进行重入的逻辑。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        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;
}

2、获取锁失败，调用 addWaiter 方法加入等到队列队尾

如果获取成功，那么就直接跳出if分支了；否则表示获取锁失败，会调用 addWaiter 方法进入等待队列，然后调用 acquireQueued 来进入死循环等待获取锁。

3、调用 acquireQueued 进入死循环等待获取锁

但是在 acquireQueued 方法中，肯定不是一直循环获取锁啦，在死循环中会有下面额逻辑

1. 当前节点的前一个节点是否为head节点（注意，在AQS中，头节点永远是一个空节点，不适等待线程对应的节点，等待线程的节点都是从第二个开始），如果是的话，就调用 tryAcquire(int arg) 方法去尝试获取锁，如果获取成功，将当前线程从等待队列中移除，然后跳出循环。
2. 否则，最终会调用 AQS 的 parkAndCheckInterrupt() 方法，里面会调用 LockSupport#park 方法将当前线程阻塞进入等待状态。（当有线程释放锁，就会唤醒等待队列中的队头，即第一个等待线程）。

2.2、unlock() 方法释放锁

ReentrantLock 释放锁就不分公平和非公平了，所以 ReentrantLock 的释放锁是直接调用 AQS 的 release(int arg) 方法。方法很简单，下面讲解一下。

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

1. 调用 tryRelease 方法尝试释放锁，这个是 AQS 的子类去实现。
2. 如果等待队列中存在等待线程，那么就唤醒第一个等待线程。

ReentrantLock的tryRelease方法

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

这里很简单，只是将state-1，并且要判断是否存在重入锁的情况。如果不存在，将 exclusiveOwnerThread 设置为null，然后直接返回true表示释放锁成功。否则只是将state-1，返回返回false，表示这个锁还没真正被释放掉。