Java提高——JUC锁03-公平锁（一）
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的。AQS是独占锁（如ReentrantLock）和共享锁（如Semaphore）的公共父类。
2、AQS锁的类别——分为“独占锁”和“共享锁”
1）独占锁：锁在一个时点只能被一个线程占有。根据锁的获取机制，它又划分为“公平锁”和“非公平锁”。公平锁，是按照通过CLH等待队列按照先来先得的规则，公平的获取锁；非公平锁，当线程要获取锁的时候，它会无视CLH等待队列而直接获取锁。独占锁的典型例子是ReentrantLock，此外，ReentrantReadWriteLock.WriteLock也是独占锁。
2）共享锁：能被多个线程同时拥有，能被共享的锁。JUC包中的ReentrantReadWriteLock.ReadLock、CyclicBarrier、CountDownLatch和Semaphre都是共享锁。
3、CLH队列——Craig、Landin、and Hagersten lock queue
CLH队列是AQS中“等待锁”的线程队列。在多个线程中，为了保护竞争资源不被多个线程同时操作出现错误，我们常常需要通过锁来保护这些资源。在独占锁中，竞争资源在一个时点只能被一个线程访问，而其他线程则需要等待。CLH就是管理这些这些“等待锁”的线程的队列。
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。
4、CAS——Compare And Swap
CAS函数，是一个比较并交换的函数，它是原子操作函数；即通过CAS操作的数据都是以原子的方式进行的。例如，compareAndSetHead( ),compareAndSetTail( ),compareAndSetNext( )等函数。它的共同特点是，这些函数所执行的动作是以原子的方式进行的。
ReentrantLock数据结构
ReentrantLock的UML图
可以看出：
1）ReentrantLock实现了Lock接口
2）ReentrantLock与sync是组合关系。ReentrantLock中包含了Sync对象；而且Sync是AQS的子类；更重要的是Sync有两个子类，公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync）。ReentrantLock是一个独占锁，至于是公平的还是非公平取决于sync对象是FareSync实例还是NonfairSync实例。
获取公平锁
1、Lock
lock( )在ReentrantLock中的FairSync类中实现，源码：
final void lock() { acquire(1); }
当前线程实际上是通过acquire(1)获取锁的。
这里的“1”是设置锁状态的参数，对于独占锁，锁处于可获取的状态时，它的状态值是0；锁被线程初次获取到了，状态值就是1。
由于ReentrantLock（公平锁/非公平锁）是可重入锁，所以“独占锁”可以被线程多次获取，每次获取就将锁的状态+1。初次获取锁时，通过acquire(1)将锁的状态设为1；再次获取的时候将锁的状态设为2，以此类推----这就是为什么获取锁时传入的参数为1的原因。
可重入是指锁可以被单个线程多次获取。
2、acquire( )
acquire( )在AQS中实现的，源码：
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
1）“当前线程”通过acquire( )获取锁，如果成功则直接返回，如果失败则进入到等待队列中排队等待（前面可能有线程在等待锁）
2）“当前线程”获取失败的情况下，先通过addWaiter（Node.EXCLUSIVE）将当前线程加入到CLH队列（非阻塞的FIFO队列）末尾。CLH队列就是线程等待队列。
3）执行完addWaiter之后，会调用acquireQueued( )来获取锁。由于此时ReentrantLock是公平锁，它会根据公平性原则来获取锁。
4）“当前线程”在执行acquireQueued（）时，会进入到CLH队列中休眠等待，直到获取锁了才返回！如果“当前线程”在休眠中被中断，acquireQueued（）会返回true，此时，“当前线程”会调用selfInterrupt( )来自己给自己产生一个中断
接下来介绍上面源码中的各个方法：
一、tryAcquire( )
1、公平锁的tryAcquire（）在ReentrantLock的FairSync类中的实现，源码：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { //获取当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //获取独占锁的状态 int c = getState(); //若锁没有被任何线程拥有 //则判断，当前线程是不是CLH中的第一个线程 //若是，则获取该锁，设置锁的状态，并且设置锁的拥有者为当前线程 if (c == 0) { if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //若独占锁的拥有者为当前线程，则跟新锁的状态 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } }根据源码得知tryAcquire（）只是尝试获取锁，成功返回true，失败返回false，后续再通过其他办法获取锁。
2、hasQueuedPredecessor（）在AQS中的实现
public final boolean hasQueuedPredecessors() { // The correctness of this depends on head being initialized // before tail and on head.next being accurate if the current // thread is first in queue. Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order Node h = head; Node s; return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); }hasQueuedPredecessor（）是判断当前线程在CLH队列是不是队首，返回AQS中是不是比“当前线程”等待更久的线程。
3、Node的源码
//CLH队列的节点 static final class Node { /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */ static final Node SHARED = new Node(); /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */ static final Node EXCLUSIVE = null; /** 线程被取消后waitStatus的值 */ static final int CANCELLED = 1; /** 当前线程的后续线程需要被唤醒时waitStatus的值 一般发生的情况是：当前线程的后续线程处于阻塞状态，而当前线程被release或cancle掉， 因此需要唤醒当前线程的后续线程 */ static final int SIGNAL = -1; /** 线程（处在Condition休眠状态）在等待Condition唤醒，对应的waitStatus的值 */ static final int CONDITION = -2; /** * 其他线程获取到“共享锁”对应的waitStatus的值 * unconditionally propagate */ static final int PROPAGATE = -3; /* * * waitStatus为： * SINGNAL: * CANCELLED: * CONDITION: * PROPAGATE: 时，分别表示不同的状态 * 若waitStatus为0: 则意味着当前线程不属于上面任何一种状态 * */ volatile int waitStatus; /** * 前一节点 */ volatile Node prev; /** * 后一节点 */ volatile Node next; /** * 节点所对应的线程 */ volatile Thread thread; /** * nextWaiter是区别当前锁为独占锁队列还是共享锁队列的标记 * 若nextWaiter=SHARED. 则CLH是独占锁队列 * 若nextWaiter=EXCLUSIVE（即nextWaiter=null），则CLH是共享锁队列 */ Node nextWaiter; /** * 共享锁则返回true，独占锁则返回false */ final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } /** * 返回前一节点 */ 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 } //构造函数，thread是节点所对应的线程，mode是用来表示thread是独占锁还是共享锁 Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } //构造函数，thread是节点所对应的线程，waitStatus是线程的等待状态 Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; } }
Node是CLH队列的节点，代表等待锁的线程队列。
1）每个Node都会有一个线程对应
2）每个Node都会通过pre和next分别指向上一个节点和下一个节点，这分别代表上一个等待线程和下一个等待线程
3）Node通过waitStatus保存线程的等待状态
4）Node通过nextWaiter来区分是独占锁还是共享锁。如果是独占锁，则nextWaiter的值为EXCLUSIVE；如果是共享锁，则nextWaiter的值为SHARED。
4、compareAndSetState( )
compareAndSetState（）在AQS中的实现，源码：
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); }
compareAndSetState（）是sun.misc.Unsafe类中的一个本地方法。对此我们需要了解compareAndSetState（）是以原子的方式操作当前线程；若当前线程的状态是expect，则它设置的状态是update。
5、setExclusiveOwnerThread( )
setExclusiveOwnerThread( )是在AbstractOwnableSynchronizer中实现，源码：
/** * exclusiveOwnerThread是当前拥有独占锁的线程 */ private transient Thread exclusiveOwnerThread; /** * setExclusiveOwnerThread的作用就是设置线程为独占线程 */ protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { exclusiveOwnerThread = thread; }
6、getState（）、setState（）
/** * 锁的状态 */ private volatile int state; /** * 获取锁的状态 */ protected final int getState() { return state; } /** * 设置锁的状态 */ protected final void setState(int newState) { state = newState; }
state表示锁的状态，对于独占锁，state=0表示锁处于可获取状态（即锁没有被任何线程持有）。由于Java中的独占锁是可重入锁。state的值可以>1。
小结：tryAcquire（）的作用就是让当前线程尝试获取锁。获取成功返回true，失败返回false。
二、addWaiter（Node.EXCLUSIVE）
addW(Node.EXCLUSIVE)的作用就是创建“当前线程”的Node节点，且Node中记录“当前线程”对应的锁是独占锁类型，并将该节点添加到CLH队列的末尾。
1、addWaiter（）在AQS中实现的源码，源码：
private Node addWaiter(Node mode) { //创建一个节点，节点对应当前线程，线程的锁的模型是mode Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure //若CLH不为空，则将当前线程添加到CLH末尾 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //若CLH为空，则调用enq方法新建CLH队列，然后再将当前线程添加到CLH队列中 enq(node); return node; }
2、compareAndSetTail( )
compareAndSetTail( )在AQS中的实现，源码如下：
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update); }
compareAndSetTail( )也属于CAS函数，通过本地方法实现的。compareAndSetTail(expect，update )会以原子的方式操作，他的作用是判断CLH的队尾是不是expect，是的话，就将队尾设置为update。
3、enq( )
enq( )在AQS中的实现，源码：
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; } } } }
enq的作用，如果CLH队列为空，则新建一个CLH表头；然后将node添加到CLH末尾。否则直接将node添加到CLH末尾。
小结：addWaiter的作用是将当前线程添加到CLH队列中。这就意味着将当前线程添加到等待获取锁的等待线程队列中了。
三、acquireQueued（）
1、acquireQueued（）在AQS中的实现，源码：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { //interrupted表示在CLH调度中，当前线程在休眠中有没有被中断过 boolean interrupted = false; for (;;) { // 获取上一个节点。node是当前线程对应的节点，这就意味着获取上一个等待锁的线程 final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
acquireQueued（）的目的是从队列中获取锁。
2、shouldParkAfterFailedAcquire（）
shouldParkAfterFailedAcquire（）在AQS中的实现，源码如下：
//返回当前线程是否应该阻塞 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { //前继节点的状态 int ws = pred.waitStatus; //如果前继节点是SIGNAL状态，则意味着当前线程需要被unpark唤醒。此时返回true if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; if (ws > 0) { /*如果前继节点为取消状态，则设置当前节点的当前前继节点为原前继节点的前继节点。 * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /*如果前继节点为0或者共享状态，则设置前继节点为SIGNAL状态 * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we * need a signal, but don't park yet. Caller will need to * retry to make sure it cannot acquire before parking. */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
1）关于waitStatus参考：
CANCELLED[1] -- 当前线程已被取消
SIGNAL[-1] -- “当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)”。一般发生情况是：当前线程的后继线程处于阻塞状态，而当前线程被release或cancel掉，因此需要唤醒当前线程的后继线程。
CONDITION[-2] -- 当前线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒
PROPAGATE[-3] -- (共享锁)其它线程获取到“共享锁”[0] -- 当前线程不属于上面的任何一种状态。
2）shouldParkAfterFailedAcquire（）通过以下规则，判断当前线程是否需要被阻塞：
①如果前继节点状态为SINGNAL，表明当前节点需要被unpark（唤醒），此时则返回true
②如果前继节点状态我CANCELLED(ws>0)，说明前继节点被取消，则通过先前回溯找到一个有效的节点，并返回false
③如果前继节点状态为非SINGNAL、非CANCELLED，则设置前继节点的状态为SIGNAL，并返回false
如果“规则1”发生，即“前继节点是SIGNAL”状态，则意味着“当前线程”需要被阻塞。接下来会调用parkAndCheckInterrupt()阻塞当前线程，直到当前先被唤醒才从parkAndCheckInterrupt()中返回。
3、parkAndCheckInterrupt（）
parkAndCheckInterrupt（）在AQS中的实现，源码：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this);//通过LockSupport的park阻塞当前线程 return Thread.interrupted();//返回线程的中断状态 }
parkAndCheckInterrupt（）的作用是阻塞当前线程，并返回当前线程被唤醒后的中断状态。它首先会通过LockSupport.park（）阻塞当前线程，然后通过Thread.interrupted返回线程的中断状态。
阻塞之后如何唤醒：
情况1：unpark（）唤醒，前继节点对应的线程使用完锁之后，通过unpark方式唤醒线程
情况2：中断唤醒。其他线程通过interrupt中断当前线程。
补充：LockSupport中的park和unpark的作用和Object中的wait、notify作用类似，是阻塞和唤醒。它们用法不同，park和unpark是轻量级的，而wait和notify是必须先通过Synchronized获取同步锁。
4、再次tryAcquire（）
final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; }1）通过node.predecessor( )获取前继节点。prodecessor( )就是返回node的前继节点
2）p==head&&tryAcquire( args)
首先判断前继节点是不是CLH表头，如果是则通过tryAcquire尝试获取锁。
其实这么做的原因是为了让当前线程获取锁 。为什么要先判断p==head呢？因为这样做是为了保证公平性：
a、前面我们在shouldParkAfterFailedAcquire（）判断当前线程是否需要阻塞
b、接着，，当前线程阻塞的话，会调用parkAndCheckInterrupt( )来阻塞线程。当前线程被解除阻塞的时候，我们会返回线程的中断状态。而线程被解决阻塞可能是由于“线程被中断” ，也可能其他线程调用该线程的unpark函数。
c、再回到p==head这里，如果当前线程因为其他线程调用了unpark函数而被唤醒，那么唤醒它的线程应该是前继节点所对应的线程。
再来理解p==head：当前继节点是CLH队列的头节点的时候，并且释放锁之后；就轮到当前节点获取锁了。然后当前节点通过tryAcquire（）获取锁；获取成功则通过setHead（node）设置当前节点为头结点，并返回。
总之，如果前继节点调用unpark函数唤醒了当前线程，并且前继节点是CLH的表头，此时满足p==head，也就符合公平性原则。否则，如果当前线程因为“线程中断”而被唤醒，那么就显得不公平。这就是为什么说p==hend是公平性原型的保证。
小结：acquireQueued（）的作用就是“当前线程”会根据公平性原则进行阻塞等待，直到获取锁为止；并返回当前线程在等待过程中有没有 被中断过。
四、selfInterrupt( )
selfInterrupt（）在AQS中的源码如下：
static void selfInterrupt() { Thread.currentThread().interrupt(); }
意思就是 “当前线程”自己产生一个中断。原因是什么拉？
必须结合acquireQueued( )进行说明。如果在acquireQueue( )中，当前线程被中断过，则执行selInterrupt（）；否则不执行。
在acquireQueue（）中，即使线程在阻塞状态被中断唤醒而获取到CPU执行权利；但是，如果该线程的前面还有其他等待锁的线程，根据公平性原则该线程依然无法获取到锁。它会在次阻塞，直到该线程被它前面的等待锁的线程唤醒；线程才会获取锁，然后“真正执行起来”！
也就是说，在该线程“成功获取锁真正执行起来”之前，它的中断会被忽略并且中断标记会被清除！因为在parkAndCheckInterrupt （）中，我们的线程中断状态调用了Thread.interrupted()。该函数不同于Thread的isInterrupted( )函数，isInterrupted（）仅仅返回中断状态，而interrupted( )在返回当前中断状态之后，还会清除中断状态。正因为之前的中断状态被清除了，所以这里需要调用selInterrupted( )重新产生一个新的中断。
小结：selInterrupted（）的作用就是当前线程自己产生一个中断。
总结：
再回头来看，acquire( )函数的最终目的是获取锁！
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
1）、先通过tryAcquire( )尝试获取锁。获取成功的话，直接返回；获取失败的话则通过acquireQueued（）获取锁
2）、尝试失败的情况下会先通过addWaiter（）来将当前线程“加入到CLH队列”末尾；然后调用acquireQueued（），在CLH队列中排队等待获取锁，在此过程中线程处于休眠状态。直到获取锁才会返回。如果在休眠等待过程中被中断过，则调用isInterrupt（）来自己产生一个中断。
