盘一盘 AQS和ReentrantLock
AQS是个啥？
AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java并发用来构建锁和其他同步组件的基础框架。许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/ReentrantReadWriterLock/CountDownLatch等
AQS提供了独占(Exclusive)以及共享(Share)两种资源共享方式：
acquire(acquireShare)/release(releaseShare)。
acquire：获取资源，如果当前资源满足条件，则直接返回，否则挂起当前线程，将该线程加入到队列排队。
release：释放资源，唤醒挂起线程
AQS队列
AQS队列示意图
AQS队列中的主要属性
// 等待队列头部 private transient volatile Node head; // 等待队列尾部 private transient volatile Node tail; // 锁的状态（加锁成功则为1，解锁为0，重入再+1） private volatile int state; // 当前持有锁的线程，注意这个属性是从AbstractOwnableSynchronizer继承而来 private transient Thread exclusiveOwnerThread;
Node类中的主要属性
static final class Node { // 标记表示节点正在共享模式中等待 static final Node SHARED = new Node(); // 标记表示节点正在独占模式下等待 static final Node EXCLUSIVE = null; // 节点的等待状态 还有一个初始化状态0 不属于以下四种状态 // 表示Node所代表的当前线程已经取消了排队，即放弃获取锁 static final int CANCELLED = 1; // 当一个节点的waitStatus被置为SIGNAL，就说明它的下一个节点（即它的后继节点）已经被挂起了（或者马上就要被挂起了）， // 只要前继结点释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行 static final int SIGNAL = -1; // 节点在等待队列中 // 当其他线程对Condition调用了signal()后，该节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中 static final int CONDITION = -2; // 表示下一次共享式同步状态获取，将会无条件地传播下去 static final int PROPAGATE = -3; // 节点等待状态，该字段初始化为0， volatile int waitStatus; // 当前节点的前置节点 volatile Node prev; // 当前节点的后置节点 volatile Node next; // 在此节点上排队的线程信息 volatile Thread thread; }
ReentrantLock实现
在引入ReentrantLock实现前，我先来科普一下 util.concurrent包的作者Doug Lea，相比较其他而言，并发包的源码阅读难度较大。脸上永远挂着谦逊腼腆笑容的Doug Lea先生使用了大量相对复杂的逻辑判断，比如一个判断条件中执行多个或且方法，让你很难跟上他的节奏，很难揣摩他的设计思想。小声逼逼，还不是我太菜了，留下来没有技术的泪水。
继承关系图
ReentrantLock是Lock接口的一个实现类，是一种可重入的独占锁。
ReentrantLock内部通过内部类实现了AQS框架(AbstractQueuedSynchronizer)的API来实现独占锁的功能。
主要属性
private final Sync sync; // 公平锁内部是FairSync,非公平锁内部是NonfairSync。 // 两者都通过继承 Sync间接继承自AbstractQueuedSynchronizer这个抽象类 abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L; // 加锁 abstract void lock(); // 尝试获取锁 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; } // 尝试释放锁 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; } }
构造方法
//默认创建一个非公平锁 public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); } //传入true创建公平锁，false非公平锁 public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); }
ReentrantLock公平锁
我们以公平锁为例对其中重要方法源码分析
// 继承了 Sync，从而间接继承了 AbstractQueuedSynchronizer这个抽象类 static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; // 上锁 final void lock() { //调用 AQS 中 acquire方法 acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { // CAS操作设置 state // 设置当前线程为拥有锁的线程 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; } }
acquire方法源码分析
public final void acquire(int arg) { // tryAcquire(arg)尝试加锁，如果加锁失败则会调用acquireQueued方法加入队列去排队，如果加锁成功则不会调用 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
acquire方法干了这么几件事情
1、tryAcquire() 尝试获取资源，如果成功则直接返回；
2、addWaiter() 将该线程加入等待队列， 更新AQS队列链信息
3、acquireQueued() 使线程在等待队列中获取资源，直到获取资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
4、selfInterrupt() 自我中断，如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后再将中断补上。
tryAcquire方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 获取当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取lock对象的上锁状态，如果锁是自由状态则=0，如果被上锁则为1，大于1表示重入 int c = getState(); // c=0 代表没人占用锁，当前线程可以直接获取锁资源执行 if (c == 0) { // 下面介绍hasQueuedPredecessors()方法，判断自己是否需要排队 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { // CAS操作设置 state // 设置当前线程为拥有锁的线程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 非重入锁直接返回false，加锁失败 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 若为重入锁, state 加1 (acquires) int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }
hasQueuedPredecessors方法
public final boolean hasQueuedPredecessors() { // 获取队列头、尾节点信息 Node t = tail; Node h = head; Node s; // h != t 有几种情况 // 1、队列尚未初始化完成，第一个线程获取锁资源， // 此时h和t都是null, h != t返回fasle初始化队列 // 2、队列已经被初始化了，其他的线程尝试获取资源， // 此时头尾节点不相同，h!=t返回true， // 继续判断s.thread != Thread.currentThread() 当前来参与竞争锁的线程和第一个排队的线程是同一个线程,则需要排队。 // 3、队列已经被初始化了，但是由于锁释放的原因导致队列里面只有一个数据 return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); }
addWaiter方法
private Node addWaiter(Node mode) { // AQS队列中的元素类型为Node，需要把当前线程封装成为一个Node对象 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // tail为队尾，赋值给pred Node pred = tai // 判断pred是否为空，其实就是判断队尾是否有节点，其实只要队列被初始化了队尾肯定不为空， if (pred != null) { // 拼装node队列链的过程 // 直接把当前线程封装的node的上一个节点设置成为pred即原来的队尾 node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { // pred的下一个节点设置为当node pred.next = node; return node; } } // 拼接aqs队列链 enq(node); return node; } 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; } } } }
acquireQueued方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // 标记是否成功拿到资源 boolean failed = true; try { // 标记等待过程中是否被中断过 boolean interrupted = false; // 自旋 for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // 判断自己是否为队列中的第二个节点 // 成为队列中第二个节点才有资格获取资源 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; // 返回等待过程中是否被中断过 return interrupted; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
公平锁和非公平锁的主要区别
为了方便对比，在这里列举了两种锁的上锁过程源码，注意红色标识片段
// 公平锁上锁过程 final void lock() { //调用 AQS 中 acquire方法 acquire(1); }
// 非公平锁上锁过程 final void lock() { // 尝试获取锁，加锁不成功则排队。排队之前仅有的一次插队机会。 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); }
总结
1、如果第一个线程尝试获取资源时，此时和AQS队列无关，线程直接持有锁。并且不会初始化队列，如果接下来的线程都是交替执行，那么和AQS队列永远无关，均为线程直接持有锁。
2、在线程发生资源竞争的情况下，才会初始化AQS队列，AQS队列的头部永远是一个虚拟的Thread为NULL的node。
3、未能获取到资源的线程将会处于park状态，此时只有队列中第二个node等待被唤醒，尝试去获取资源。其他node并不去竞争资源，这也是AQS队列的精髓所在，减少了CPU的占用。
4、公平锁的上锁是必须判断自己是不是需要排队；而非公平锁是直接进行CAS修改计数器看能不能加锁成功；如果加锁不成功则乖乖排队(调用acquire)；所以不管公平还是不公平；只要进到了AQS队列当中那么他就会排队；一朝排队；永远排队！
