AQS和锁

一、AQS是什么？

首先我们来普及一下juc是什么：juc其实就是包的缩写(java.util.concurrnt)

• 不要被人家唬到了，以为juc是什么一个牛逼的东西。其实指的是包而已~

我们可以发现lock包下有三个抽象的类：

• AbstractOwnableSynchronizer

• AbstractQueuedLongSynchronizer

• AbstractQueuedSynchronizer

通常地：AbstractQueuedSynchronizer简称为AQS

我们Lock之类的两个常见的锁都是基于它来实现的：

那么我们来看看AbstractQueuedSynchronizer到底是什么，看一个类是干什么的最快途径就是看它的顶部注释

通读了一遍，可以总结出以下比较关键的信息：

• AQS其实就是一个可以给我们实现锁的框架

• 内部实现的关键是：先进先出的队列、state状态

• 定义了内部类ConditionObject

• 拥有两种线程模式

• 独占模式

• 共享模式

• 在LOCK包中的相关锁(常用的有ReentrantLock、 ReadWriteLock)都是基于AQS来构建

• 一般我们叫AQS为同步器

二、简单看看AQS

上面也提到了AQS里边最重要的是状态和队列，我们接下来就看看其源码是怎么样的…

2.1同步状态

使用volatile修饰实现线程可见性：

修改state状态值时使用CAS算法来实现：

2.2先进先出队列

这个队列被称为：CLH队列(三个名字组成)，是一个双向队列

看看它队列源码的组成：

    static final class Node {

        // 共享
        static final Node SHARED = new Node();

        // 独占
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        // 线程被取消了
        static final int CANCELLED =  1;

        // 后继线程需要唤醒
        static final int SIGNAL    = -1;

        // 等待condition唤醒
        static final int CONDITION = -2;

        // 共享式同步状态获取将会无条件地传播下去(没看懂)
        static final int PROPAGATE = -3;


        // 初始为0，状态是上面的几种
        volatile int waitStatus;

        // 前置节点
        volatile Node prev;

        // 后继节点
        volatile Node next;


        volatile Thread thread;


        Node nextWaiter;

        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }


        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }

        Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
        }

        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;
        }
    }

2.3acquire方法

获取独占锁的过程就是在acquire定义的，该方法用到了模板设计模式，由子类实现的~

过程：acquire(int)尝试获取资源，如果获取失败，将线程插入等待队列。插入等待队列后，acquire(int)并没有放弃获取资源，而是根据前置节点状态状态判断是否应该继续获取资源，如果前置节点是头结点，继续尝试获取资源，如果前置节点是SIGNAL状态，就中断当前线程，否则继续尝试获取资源。直到当前线程被park()或者获取到资源，acquire(int)结束。

来源：

• https://blog.csdn.net/panweiwei1994/article/details/78769703

2.4release方法

释放独占锁的过程就是在acquire定义的，该方法也用到了模板设计模式，由子类实现的~

过程:首先调用子类的tryRelease()方法释放锁,然后唤醒后继节点,在唤醒的过程中,需要判断后继节点是否满足情况,如果后继节点不为且不是作废状态,则唤醒这个后继节点,否则从tail节点向前寻找合适的节点,如果找到,则唤醒.

来源：

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/27134110

三、最后

总结一下AQS到底是什么吧：

• juc包中很多可阻塞的类都是基于AQS构建的

• AQS可以说是一个给予实现同步锁、同步器的一个框架，很多实现类都在它的的基础上构建的

• 在AQS中实现了对等待队列的默认实现，子类只要重写部分的代码即可实现(大量用到了模板代码)

本文章主要讲的是Java多线程加锁机制，有两种：

• Synchronized

• 显式Lock

不得不唠叨几句：

• 在《Java核心技术卷 一》是先讲比较难的显式Lock，而再讲的是比较简单的Synchronized

• 而《Java并发编程实战》在前4章零散地讲解了Synchronized，将显式Lock放到了13章

其实都比较坑，如果能先系统讲了Synchronized锁机制，接着讲显式Lock锁机制，那就很容易理解了。也不需要跨那么多章节。

那么接下来我们就开始吧~

一、synchronized锁

1.1synchronized锁是什么？

synchronized是Java的一个关键字，它能够将代码块(方法)锁起来

• 它使用起来是非常简单的，只要在代码块(方法)添加关键字synchronized，即可以实现同步的功能~

    public synchronized void test() {
        // 关注公众号Java3y
        // doSomething
    }

synchronized是一种互斥锁

• 一次只能允许一个线程进入被锁住的代码块

synchronized是一种内置锁/监视器锁

• Java中每个对象都有一个内置锁(监视器,也可以理解成锁标记)，而synchronized就是使用对象的内置锁(监视器)来将代码块(方法)锁定的！

1.2synchronized用处是什么？

• synchronized保证了线程的原子性。(被保护的代码块是一次被执行的，没有任何线程会同时访问)

• synchronized还保证了可见性。(当执行完synchronized之后，修改后的变量对其他的线程是可见的)

Java中的synchronized，通过使用内置锁，来实现对变量的同步操作，进而实现了对变量操作的原子性和其他线程对变量的可见性，从而确保了并发情况下的线程安全。

1.3synchronized的原理

我们首先来看一段synchronized修饰方法和代码块的代码：

public class Main {
    //修饰方法
    public synchronized void test1(){

    }


    public void test2(){
        // 修饰代码块
        synchronized (this){

        }
    }
}

来反编译看一下：

同步代码块：

• monitorenter和monitorexit指令实现的

同步方法（在这看不出来需要看JVM底层实现）

• 方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。

synchronized底层是是通过monitor对象，对象有自己的对象头，存储了很多信息，其中一个信息标示是被哪个线程持有。

具体可参考：

• https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/54883355

• https://blog.csdn.net/u012465296/article/details/53022317

1.4synchronized如何使用

synchronized一般我们用来修饰三种东西：

• 修饰普通方法

• 修饰代码块

• 修饰静态方法

1.4.1修饰普通方法：

用的锁是Java3y对象(内置锁)

public class Java3y {


    // 修饰普通方法，此时用的锁是Java3y对象(内置锁)
    public synchronized void test() {
        // 关注公众号Java3y
        // doSomething
    }

}

1.4.2修饰代码块：

用的锁是Java3y对象(内置锁)--->this

public class Java3y {

    public  void test() {

        // 修饰代码块，此时用的锁是Java3y对象(内置锁)--->this
        synchronized (this){
            // 关注公众号Java3y
            // doSomething
        }
    }
}

当然了，我们使用synchronized修饰代码块时未必使用this，还可以使用其他的对象(随便一个对象都有一个内置锁)

所以，我们可以这样干：

public class Java3y {


    // 使用object作为锁(任何对象都有对应的锁标记，object也不例外)
    private Object object = new Object();


    public void test() {

        // 修饰代码块，此时用的锁是自己创建的锁Object
        synchronized (object){
            // 关注公众号Java3y
            // doSomething
        }
    }

}

上面那种方式(随便使用一个对象作为锁)在书上称之为-->客户端锁，这是不建议使用的。

书上想要实现的功能是：给ArrayList添加一个putIfAbsent()，这需要是线程安全的。

假定直接添加synchronized是不可行的

使用客户端锁，会将当前的实现与原本的list耦合了：

书上给出的办法是使用组合的方式(也就是装饰器模式)

1.4.3修饰静态方法

获取到的是类锁(类的字节码文件对象)：Java3y.class

public class Java3y {

    // 修饰静态方法代码块，静态方法属于类方法，它属于这个类，获取到的锁是属于类的锁(类的字节码文件对象)-->Java3y.class
    public synchronized void test() {

        // 关注公众号Java3y
        // doSomething
    }
}

1.4.4类锁与对象锁

synchronized修饰静态方法获取的是类锁(类的字节码文件对象)，synchronized修饰普通方法或代码块获取的是对象锁。

• 它俩是不冲突的，也就是说：获取了类锁的线程和获取了对象锁的线程是不冲突的！

public class SynchoronizedDemo {

    //synchronized修饰非静态方法
    public synchronized void function() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i <3; i++) {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("function running...");
        }
    }
    //synchronized修饰静态方法
    public static synchronized void staticFunction()
            throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("Static function running...");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final SynchoronizedDemo demo = new SynchoronizedDemo();

        // 创建线程执行静态方法
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                staticFunction();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        // 创建线程执行实例方法
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                demo.function();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        // 启动
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

结果证明：类锁和对象锁是不会冲突的！

1.5重入锁

我们来看下面的代码：

public class Widget {

    // 锁住了
    public synchronized void doSomething() {
        ...
    }
}

public class LoggingWidget extends Widget {

    // 锁住了
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println(toString() + ": calling doSomething");
        super.doSomething();
    }
}

1. 当线程A进入到LoggingWidget的doSomething()方法时，此时拿到了LoggingWidget实例对象的锁。

2. 随后在方法上又调用了父类Widget的doSomething()方法，它又是被synchronized修饰。

3. 那现在我们LoggingWidget实例对象的锁还没有释放，进入父类Widget的doSomething()方法还需要一把锁吗？

不需要的！

因为锁的持有者是“线程”，而不是“调用”。线程A已经是有了LoggingWidget实例对象的锁了，当再需要的时候可以继续“开锁”进去的！

这就是内置锁的可重入性。

1.6释放锁的时机

1. 当方法(代码块)执行完毕后会自动释放锁，不需要做任何的操作。

2. 当一个线程执行的代码出现异常时，其所持有的锁会自动释放。

• 不会由于异常导致出现死锁现象~

二、Lock显式锁

2.1Lock显式锁简单介绍

Lock显式锁是JDK1.5之后才有的，之前我们都是使用Synchronized锁来使线程安全的~

Lock显式锁是一个接口，我们来看看：

随便翻译一下他的顶部注释，看看是干嘛用的：

可以简单概括一下：

• Lock方式来获取锁支持中断、超时不获取、是非阻塞的

• 提高了语义化，哪里加锁，哪里解锁都得写出来

• Lock显式锁可以给我们带来很好的灵活性，但同时我们必须手动释放锁

• 支持Condition条件对象

• 允许多个读线程同时访问共享资源

2.2synchronized锁和Lock锁使用哪个

前面说了，Lock显式锁给我们的程序带来了很多的灵活性，很多特性都是Synchronized锁没有的。那Synchronized锁有没有存在的必要？？

必须是有的！！Lock锁在刚出来的时候很多性能方面都比Synchronized锁要好，但是从JDK1.6开始Synchronized锁就做了各种的优化(毕竟亲儿子，牛逼)

• 优化操作：适应自旋锁，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁。

• 详情可参考：https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/54883355

所以，到现在Lock锁和Synchronized锁的性能其实差别不是很大！而Synchronized锁用起来又特别简单。Lock锁还得顾忌到它的特性，要手动释放锁才行(如果忘了释放，这就是一个隐患)

所以说，我们绝大部分时候还是会使用Synchronized锁，用到了Lock锁提及的特性，带来的灵活性才会考虑使用Lock显式锁~

2.3公平锁

公平锁理解起来非常简单：

• 线程将按照它们发出请求的顺序来获取锁

非公平锁就是：

• 线程发出请求的时可以“插队”获取锁

Lock和synchronize都是默认使用非公平锁的。如果不是必要的情况下，不要使用公平锁

• 公平锁会来带一些性能的消耗的

四、最后

本文讲了synchronized内置锁和简单描述了一下Lock显式锁，总得来说：

• synchronized好用，简单，性能不差

• 没有使用到Lock显式锁的特性就不要使用Lock锁了。