场景模拟

我们先来看下这样一个场景
在这里插入图片描述

在这里我们有一个能被多个线程共享操作的资源，在这个场景中应该能看出我们的数据是不安全的，因为我们并不能保证我们的操作是原子操作对吧。基于这个场景我们通过代码来看看效果

package com.example.demo;

public class AtomicDemo {

    // 共享变量
    private static int count = 0;

    // 操作共享变量的方法
    public static void incr(){
        // 为了演示效果  休眠一下子
        try {
            Thread.sleep(1);
            count ++;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 1000 ; i++) {
            new Thread(()->AtomicDemo.incr()).start();
        }

        Thread.sleep(4000);
        System.out.println("result:" + count);
    }

}

通过执行发现，执行的结果是一个不确定的值，但总是会小于等于1000，至于原因，是因为incr() 方法不是一个原子操作。为什么不是原子操作这个咱们今天就不深究此处了.
迎合今天的主题，我们通过Lock来解决

package com.example.demo;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class AtomicDemo {

    // 共享变量
    private static int count = 0;

    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    // 操作共享变量的方法
    public static void incr(){
        // 为了演示效果  休眠一下子
        try {
            lock.lock();
            Thread.sleep(1);
            count ++;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 1000 ; i++) {
            new Thread(()->AtomicDemo.incr()).start();
        }

        Thread.sleep(4000);
        System.out.println("result:" + count);
    }

}

然后我们运行发现结果都是 1000了，这也就是1000个线程都去操作这个 count 变量，结果符合我们的预期了。那lock到底是怎么实现的呢？

需求分析

我们先来分析分析
在这里插入图片描述
这样的图片看着比较复杂，咱们简化下。

在这里插入图片描述

我们自己假设下，如果要你去设计这样的方法，你应该要怎么设计，他们需要实现哪些功能，
首先是lock方法，它是不是要满足这几个功能。
在这里插入图片描述

需求清楚了，那我们怎么设计呢？
第一个互斥怎么做，也就是多个线程只有一个线程能抢占到资源，这个时候我们可以这样设置

// 给一个共享资源
Int state = 0 ; // 0表示资源没有被占用，可以抢占
if(state == 0 ){
   // 表示可以获取锁
}else{
   // 表示锁被抢占 需要阻塞等待
}

在这里插入图片描述
然后就是没有抢占到锁的线程的存储，我们可以通过一个队列，利用FIFO来实现存储。
最后就是线程的阻塞和唤醒。大家说说有哪些阻塞线程的方式呀？

wait/notify: 不合适，不能唤醒指定的线程
Sleep：休眠，类似于定时器
Condition：可以唤醒特定线程
LockSupport:
LockSupport.park():阻塞当前线程
LockSupport.unpark(Thread t):唤醒特定线程

结合今天的主题，我们选择LockSupport来实现阻塞和唤醒。

在这里插入图片描述

好了，到这儿我们已经猜想到了Lock中的实现逻辑，但是在探究源码之前我们还有个概念需要先和大家讲下，因为这个是我们源码中会接触到的一个，先讲了，看的时候就比较轻松了对吧。

什么是重入锁？

我们先来看看重入锁的场景代码

package com.example.demo;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class AtomicDemo {

    // 共享变量
    private static int count = 0;

    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    // 操作共享变量的方法
    public static void incr(){
        // 为了演示效果  休眠一下子
        try {
            lock.lock();
            Thread.sleep(1);
            count ++;
            // 调用了另外一个方法。
            decr();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void decr(){
        try {
            // 重入锁
            lock.lock();
            count--;
        }catch(Exception e){

        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 1000 ; i++) {
            new Thread(()->AtomicDemo.incr()).start();
        }

        Thread.sleep(4000);
        System.out.println("result:" + count);
    }

}

首先大家考虑这段代码会死锁吗？大家给我个回复，我看看大家的理解的怎么样
好了，有说会死锁的，有说不会，其实这儿是不会死锁的，而且结果就是0.为什么呢？
这个其实是锁的一个嵌套，因为这两把锁都是同一个线程对象，我们讲共享变量的设计是
当state=0；线程可以抢占到资源 state =1; 如果进去嵌套访问共享资源，这时 state = 2 如果有多个嵌套 state会一直累加，释放资源的时候， state--，直到所有重入的锁都释放掉 state=0，那么其他线程才能继续抢占资源，说白了重入锁的设计目的就是为了防止 死锁！

AQS类图

在这里插入图片描述

通过类图我们可以发现右车的业务应用其实内在都有相识的设计，这里我们只需要搞清楚其中的一个，其他的你自己应该就可以看懂~，好了我们就具体结合前面的案例代码，以ReentrantLock为例来介绍AQS的代码实现。

源码分析

在看源码之前先回顾下这个图，带着问题去看，会更轻松
在这里插入图片描述

Lock.lock()

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

这个方法逻辑比较简单，if条件成立说明抢占锁成功并设置当前线程为独占锁
else 表示抢占失败，acquire(1) 方法我们后面具体介绍

compareAndSetState(0, 1)：用到了CAS 是一个原子操作方法，底层是UnSafe.作用就是设置共享操作的 state 由0到1. 如果state的值是0就修改为1

setExclusiveOwnerThread：代码很简单，进去看一眼即可

acquire方法

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

tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回（这里体现了非公平锁，每个线程获取锁时会尝试直接抢占加塞一次，而CLH队列中可能还有别的线程在等待）；
addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
acquireQueued()使线程阻塞在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

当然这里代码的作用我是提前研究过的，对于大家肯定不是很清楚，我们继续里面去看，最后大家可以回到这儿再论证。

tryAcquire(int)

再次尝试抢占锁

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
//再次尝试抢占锁
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
// 重入锁的情况
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
// false 表示抢占失败
    return false;
}

addWaiter

将阻塞的线程添加到双向链表的结尾

private Node addWaiter(Node mode) {
    //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

    //尝试快速方式直接放到队尾。
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }

    //上一步失败则通过enq入队。
    enq(node);
    return node;
}

enq(Node)

private Node enq(final Node node) {
    //CAS"自旋"，直到成功加入队尾
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {//正常流程，放入队尾
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

第一个if语句
在这里插入图片描述

else语句

在这里插入图片描述

线程3进来会执行如下代码

在这里插入图片描述

那么效果图

在这里插入图片描述

acquireQueued(Node, int)

OK，通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧：进入等待状态休息，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，自己再拿到资源，然后就可以去干自己想干的事了。没错，就是这样！是不是跟医院排队拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事：在等待队列中排队拿号（中间没其它事干可以休息），直到拿到号后再返回。这个函数非常关键，还是上源码吧：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源
    try {
        boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过

        //又是一个“自旋”！
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//拿到前驱
            //如果前驱是head，即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取资源（可能是老大释放完资源唤醒自己的，当然也可能被interrupt了）。
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
                p.next = null; // setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！
                failed = false; // 成功获取资源
                return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
            }

            //如果自己可以休息了，就通过park()进入waiting状态，直到被unpark()。如果不可中断的情况下被中断了，那么会从park()中醒过来，发现拿不到资源，从而继续进入park()等待。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;//如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true
        }
    } finally {
        if (failed) // 如果等待过程中没有成功获取资源（如timeout，或者可中断的情况下被中断了），那么取消结点在队列中的等待。
            cancelAcquire(node);
    }
}

到这里了，我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程，先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。

shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态
    if (ws == Node.SIGNAL)
        //如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下，那就可以安心休息了
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。
         * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
         //如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

parkAndCheckInterrupt()

如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。

 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
     LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态
     return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。
 }

好了，我们可以小结下了。

看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，现在让我们再回到acquireQueued()，总结下该函数的具体流程：

结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；
调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；
被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。

最后我们再回到前面的acquire方法来总结下

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

总结下它的流程吧

调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

在这里插入图片描述

Lock.unlock()

好了，lock方法看完后，我们再来看下unlock方法

release(int)

它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;//找到头结点
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease(int)

此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：

 public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {//这里是先尝试释放一下资源，一般都可以释放成功，除了多次重入但只释放一次的情况。
            Node h = head;
            //这里判断的是 阻塞队列是否还存在和head节点是否是tail节点，因为之前说过，队列的尾节点的waitStatus是为0的
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                //到这里就说明head节点已经释放成功啦，就先去叫醒后面的直接节点去抢资源吧
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //这里，node一般为当前线程所在的结点。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 从后向前找。
            if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

这个函数并不复杂。一句话概括：用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程，这里我们也用s来表示吧。此时，再和acquireQueued()联系起来，s被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断（即使p!=head也没关系，它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的调整，s也必然会跑到head的next结点，下一次自旋p==head就成立啦），然后s把自己设置成head标杆结点，表示自己已经获取到资源了，acquire()也返回了

好了，到这我们就因为把源码看完了，再回头来看下这张图

在这里插入图片描述
是不是就清楚了AQS到底是怎么实现的我们上面的猜想的了吧。那么对应的下课后让你自己去看

在这里插入图片描述

欢迎一起交流学习哦【463257262】

posted on 2021-08-23 14:22 波波烤鸭阅读(432) 评论(1) 编辑收藏举报

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Lock.lock()

acquire方法

tryAcquire(int)

addWaiter

enq(Node)

acquireQueued(Node, int)

shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

parkAndCheckInterrupt()

Lock.unlock()

release(int)

tryRelease(int)