Java 7之多线程第7篇 - 线程锁基础

线程锁是用来实现同步机制的，前面讲到过使用synchronized关键字来实现同步。

传送门 - 使用Synchronized关键字实现同步  http://blog.csdn.net/mazhimazh/article/details/16921255

使用这个关键字实现的同步块有一些缺点：

（1）锁只有一种类型

（2）线程得到锁或者阻塞

（3）不能实现很好的并发

为了解决如上的各种问题，后来又提出了一种更为复杂的锁 - 线程锁。线程锁可以在几个方面进行提升：

（1）添加不同类型的锁，如读取锁和写入锁（主要实现类为ReentrantReadWriteLock类）

（2）对锁的阻塞没有限制，即可以在一个方法中上锁，在另外一个方法中解锁。

（3）如果线程得不到锁，比如锁由另外一个线程持有，就允许该线程后退或继续执行，或者做其他事情 - 使用类中提供的tryLock()方法

（4）允许线程尝试取锁，并可以在超过等待时间后放弃。

下面来认识一下一个简单的线程锁 - Lock锁。简单的用法如下：

public class Counter{
	private Lock lock = new ReentrantLock();
	private int count = 0;

	public int inc(){
		lock.lock();
		int newCount = ++count;
		lock.unlock();
		return newCount;
	}
}

由于++count包括读取、自增、赋值操作，所以为了保证能够原子执行，使用了Lock锁。

Lock锁的功能很强大，不过他的实现复杂了不少。锁的实现源代码主要在java.util.concurrent.locks包下，先看看锁的框架图，如下所示。

注：如上的粗箭头表示，下面类的实现依赖于上面类的实现。例如，AbstractQueueSynchronizer抽象类的实现依赖于LockSupport和Condition类。

1、Lock接口

Lock接口中定义的方法如下：

public interface Lock {

    void lock();        // 获取锁
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException; // 如果当前线程没有被打断，则获取锁
    boolean tryLock(); // 如果在调用的时候能锁没有被其它线程持有就获取这个锁
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 在给定的时间内获取到锁
    void unlock();     // 释放锁
    Condition newCondition(); // 得到Condition实例
}

2、AbstractOwnableSynchronizer接口

public abstract class AbstractOwnableSynchronizer   implements java.io.Serializable {
    protected AbstractOwnableSynchronizer() { }
    
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;// 独占锁的持有线程
    
    // 提供锁的setXxx()和getXxx()方法
    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t) {
        exclusiveOwnerThread = t;
    }
    protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
        return exclusiveOwnerThread;
    }
}

3、下面来介绍一下几个需要重点理解的概念

1>. AQS -- 指AbstractQueuedSynchronizer类。

    AQS是java中管理“锁”的抽象类，锁的许多公共方法都是在这个类中实现。AQS是独占锁(例如ReentrantLock)和共享锁(例如Semaphore)的公共父类。

2>. 队列

    队列是AQS中“等待锁”的线程队列。在多线程中，为了保护竞争资源不被多个线程同时操作而起来错误，我们常常需要通过锁来保护这些资源。在独占锁中，竞争资源在一个时间点只能被一个线程锁访问；而其它线程则需要等待。队列就是管理这些“等待锁”的线程的队列。
    队列是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。

    来看一下队列的Node节点源代码，如下：    

    static final class Node {
        static final Node SHARED = new Node();// 共享锁
        static final Node EXCLUSIVE = null;   // 独占锁
        
        // 定义waitStatus值
        static final int CANCELLED =  1;  // 线程已被取消
        static final int SIGNAL    = -1;  // 当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)
        
        static final int CONDITION = -2;  // 处在Condition休眠状态的线程在等待Condition唤醒
        static final int PROPAGATE = -3;  // 其它线程获取到共享锁

        /**
         * Status field, taking on only the values:
         *   SIGNAL:     The successor of this node is (or will soon be)
         *               blocked (via park), so the current node must
         *               unpark its successor when it releases or
         *               cancels. To avoid races, acquire methods must
         *               first indicate they need a signal,
         *               then retry the atomic acquire, and then,
         *               on failure, block.
         *   CANCELLED:  This node is cancelled due to timeout or interrupt.
         *               Nodes never leave this state. In particular,
         *               a thread with cancelled node never again blocks.
         *   CONDITION:  This node is currently on a condition queue.
         *               It will not be used as a sync queue node
         *               until transferred, at which time the status
         *               will be set to 0. (Use of this value here has
         *               nothing to do with the other uses of the
         *               field, but simplifies mechanics.)
         *   PROPAGATE:  A releaseShared should be propagated to other
         *               nodes. This is set (for head node only) in
         *               doReleaseShared to ensure propagation
         *               continues, even if other operations have
         *               since intervened.
         *   0:          None of the above
         *
         * The values are arranged numerically to simplify use.
         * Non-negative values mean that a node doesn't need to
         * signal. So, most code doesn't need to check for particular
         * values, just for sign.
         *
         * The field is initialized to 0 for normal sync nodes, and
         * CONDITION for condition nodes.  It is modified using CAS
         * (or when possible, unconditional volatile writes).
         */
        volatile int waitStatus;

        volatile Node prev;
        volatile Node next;
        volatile Thread thread; // 节点对应的当前线程
        Node nextWaiter;
        
        // 共享锁则返回true,独占锁则返回false。
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }
        // 如果有的话，返回前一个节点
        //predecessor引用的作用是为了支持锁等待超时（timeout）和锁等待回退（cancellation）的功能
        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }
        // --------几个构造函数----------------------------------
        Node() {  }  
        Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }
        Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        }
    }// end Node
    
    /* CLH是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和
     * CAS 保证节点插入和移除的原子性
     */
    private transient volatile Node head; 
    private transient volatile Node tail;

 举一个操作，向队列末尾插入元素时的操作如下：

// 向队列中插入Node节点
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

3>. CAS函数 -- Compare And Swap 
     CAS函数，是比较并交换函数，它是原子操作函数；即，通过CAS操作的数据都是以原子方式进行的。例如，compareAndSetHead(), compareAndSetTail(), compareAndSetNext()等函数。它们共同的特点是，这些函数所执行的动作是以原子的方式进行的。

      如果对他们的原理不怎么理解，可以查看：传送门 - http://blog.csdn.net/mazhimazh/article/details/18908493