1. 基本概念
程序运行过程中，两个或多个线程(thread)并发执行并共享某个资源时，可能对共享资源不同步地修改，造成数据错误（所谓错误，就是修改后的数据不符合预期），为了避免数据错误，普遍采用了线程同步技术，所谓同步，就是避免多个线程毫无规则地征用资源，而是使这些线程看起来像是步调一致、有序地使用共享资源。比如，有线程A,B和C, 有一个可共享的资源R，为了避免多线程并发造成对R资源的冲突，必须同步线程，即当A正在对R进行操作的时候，B和C就在这一块操作代码之外等待A完成操作。
Java中，同步的范围主要有两种，一种是同步方法，对于同一个对象，用synchronized修饰的所有方法，同一时刻至多只能有一个线程进入其中之一。第二种是同步代码块，可用synchronize包围起来，也可以用锁Lock对象，而后者，最常用的就是ReentrantLock，即重入锁。
synchronized关键字的是操作系统底层的互斥锁(mutex lock)来实现的，跟操作系统有关。而ReentrantLock的实现原理是CAS+自旋算法，CAS(Compare and save)就是实现更改数据原子性的算法，底层是JNI调用C代码实现的， 自旋算法就是在一个不设循环次数的循环中不断地循环，直到满足一定条件为止。持有ReentrantLock的线程执行被锁住的代码块，新来的线程尝试去获取ReentrantLock，如果获取到了，就进入代码块执行，如果没有获取到，就会阻塞在代码块之外。
使用Lock的优点在于可以更加精细地控制线程获取锁和释放锁，比如可以使用tryLock()的重载方法指定尝试获取锁的时间，如果在指定时间内没有锁成功，就可以根据业务需要做其它处理。Lock还可以指定线程是否“公平地”争取锁，是先来后到还是后来的也能挣先。
本篇随笔，只学习和分析ReentrantLock的源码和实现原理。
2. ReentrantLock 获取锁
ReentrantLock是最常用的锁，每个线程就像一个人，一个人（线程）执行任务（程序）走到了一座房子（需要同步执行的代码块）的门前（代码块入口），推门并从内上锁这一过程，就是ReentrantLock.lock()操作，当然，如果推门推不动，说明屋子里有别人呢，得等他完成任务后把锁打开（unlock）。
2.1 demo
学习任何源码，最好是写一个简单的demo，作为一个入口而又能对整体执行有个了解才好入手。
现有两个账户，一个from，一个to，初始额度都是100元， from向to中转账，应该两个账户总金额恒定为200元才对。试用多线程，模拟多个人同时使用该账户转账。Account是账户对象，ReentrantLockDemo负责模拟多线程转账操作。首先，不用锁，开启5个线程去跑转账的方法，打印出每个线程转账完成后的结果。
1 public class ReentrantLockDemo { 2 // 转出账户 3 private Account from; 4 // 转入账户 5 private Account to; 6 // 持有重入锁 7 private Lock lock = new ReentrantLock(); 8 9 public ReentrantLockDemo(Account from, Account to) { 10 this.from = from; 11 this.to = to; 12 } 13 14 /** 15 * 转账操作，从from账户转money额度到to账户 16 */ 17 public void transform(int money) { 18 // lock.lock(); 19 try { 20 from.minus(money); 21 Thread.yield(); // 为了更大几率让其它线程进入 22 to.add(money); 23 System.out.println(Thread.currentThread() + " from.money = " + from.money + "; to.money = " + to.money); 24 } finally { 25 // lock.unlock(); 26 } 27 } 28 29 public static void multiThreadTransform(ReentrantLockDemo demo) { 30 ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(5); 31 for (int i = 0; i < 5; i++) { 32 exec.execute(() -> { 33 demo.transform(10); 34 }); 35 } 36 exec.shutdown(); 37 } 38 39 public static void main(String[] args) { 40 Account from = new Account(), 41 to = new Account(); 42 ReentrantLockDemo demo = new ReentrantLockDemo(from, to); 43 multiThreadTransform(demo); 44 45 } 46 }
1 class Account { 2 // 账号初始额度为100元 3 int money = 100; 4 5 void add(int m) { 6 money += m; 7 } 8 void minus(int m) { 9 money -= m; 10 } 11 }
结果：
Thread[pool-1-thread-2,5,main] from.money = 80; to.money = 130
Thread[pool-1-thread-4,5,main] from.money = 60; to.money = 140
Thread[pool-1-thread-1,5,main] from.money = 80; to.money = 130
Thread[pool-1-thread-3,5,main] from.money = 70; to.money = 130
Thread[pool-1-thread-5,5,main] from.money = 50; to.money = 150
可以从上面结果看到，线程2转账完成后，from账户为80元，to账户为130元，相加为210元，在这个线程之中的人，读出了错误的数据。而且90,110的组合也不一定出现。
加上锁之后，结果就符合预期了。
1 /** 2 * 转账操作，从from账户转money额度到to账户 3 */ 4 public void transform(int money) { 5 lock.lock(); // 锁操作，实现线程同步 6 try { 7 from.minus(money); 8 Thread.yield(); // 为了更大几率让其它线程进入 9 to.add(money); 10 System.out.println(Thread.currentThread() + " from.money = " + from.money + "; to.money = " + to.money); 11 } finally { 12 lock.unlock(); // 释放锁，以便于接下来的线程进入代码块 13 } 14 }
Thread[pool-1-thread-1,5,main] from.money = 90; to.money = 110 Thread[pool-1-thread-5,5,main] from.money = 80; to.money = 120 Thread[pool-1-thread-2,5,main] from.money = 70; to.money = 130 Thread[pool-1-thread-3,5,main] from.money = 60; to.money = 140 Thread[pool-1-thread-4,5,main] from.money = 50; to.money = 150
2.2 抽象队列同步器AQS
进入ReentrantLock.lock()方法后，看到源码是这样的：
1 public void lock() { 2 sync.lock(); 3 }
方法中，调用的是sync.lock()，Sync是ReentrantLock的内嵌类，它继承了AbstractQueuedSynchronizer，是抽象队列同步器，所以ReentrantLock底层的线程同步实际是由队列同步器实现的。ReentrantLock, Sync的依赖关系如下图所示:
1) ReentrantLock依赖于队列同步器Sync对象;
2) Sync对象有两个子类，分别是FairSync和NonfairSync，从名称来看应该是公平锁和非公平锁的实现；
3）ReentrantLock同步由Sync.lock()实现;
4) 使用ReentrantLock默认构造器，创建的是非公平队列同步器NonfairSync。
那么Sync对象是如何实现线程同步的，接着往下看。
2.3 NonfairSync.lock()
1 /** 2 * Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal 3 * acquire on failure. 4 */ 5 final void lock() { 6 if (compareAndSetState(0, 1)) 7 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); 8 else 9 acquire(1); 10 }
1 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this 2 return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); 3 }
进入到NonfairSync.lock()方法，通过注释内容可知，该方法执行获取锁的操作，一个新来的线程，不分先来后到立即先尝试去获取锁，如果失败，就执行acquire(1)方法。 compareAndSetState(0, 1)就是CAS操作，即对比-更新，这一步是原子操作，第一个参数是期望值，第二个参数是更新值，意思是：如果现在的值是0，那么就更新为1， 其原子性是底层C代码实现的。这里要更新的值是RenentrantLock对象所持有的抽象队列同步器的状态，代码如下。 当stateOffset的值是0时，更新为1。假设有两个线程同时运行到了代码的第6行，由于是原子操作，同一时刻，只可能有一个线程能成功改变stateOffset的值。 假设当前线程成功了，则在AQS中，把当前排他模式的线程持有者设置为当前线程setExclusiveOwnerThread()，如果没有上锁成功，那么就执行acquire()方法.
2.4 AbstractQueuedSynchronizer.acquire()
1 public final void acquire(int arg) { 2 if (!tryAcquire(arg) && 3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 4 selfInterrupt(); 5 }
该方法，以独占模式获取锁，忽略中断。这个方法的原理就是一个线程不断地去尝试去获取锁，直到成功，否则就一直阻塞。没有立即成功执行锁操作的线程，会放入一个FIFO队列，队列中的线程会根据相应策略对竞争锁。这个方法做了这么几件事：
1). 先尝试去获取锁：tryAquire(arg)，如果成功了，就退出方法，线程继续执行下去；
2). 创建一个Node节点，封装当前线程并保存入AQS队列，即执行addWaiter()方法；
3). 入队后，执行acquireQueued()方法，方法中会循环地去尝试获取锁，如果锁成功了就继续执行，没有获取到就阻塞，然后继续尝试获取锁操作；
4). 第3）步中，如果返回了true，则表示阻塞的线程被中断了，那么selfInterrupt()的作用是标记当前线程被中断，为什么在这里标记，这是因为线程被中断后，标记会被清除，所以这里重新标记一下。
5). 为什么第3)步中，线程会被中断，这个问题留在之后进入acquireQueued()方法解答
2.5 NonfairSync.nonfairTryAcquire()
1 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { 2 final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取当前线程 3 int c = getState(); // 获得当前AQS同步器状态 4 if (c == 0) { // 0表示当前锁是释放状态，可以上锁 5 if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 使用CAS原子操作更新AQS的state，使AQS对象的状态变成上锁状态 6 setExclusiveOwnerThread(current); // 把当前线程设置为独占线程 7 return true; 8 } 9 } 10 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // AQS是上锁状态，且当前线程就是AQS中的独占线程 11 int nextc = c + acquires; 12 if (nextc < 0) // overflow 13 throw new Error("Maximum lock count exceeded"); 14 setState(nextc); // 更新AQS状态, 无需用CAS操作，因为只有当前独占线程能进入到这里 15 return true; 16 } 17 return false; 18 }
调用方法tryAcquire()，会调用NonfairSync.nonfairTryAcquire()方法， 返回true的话，表示执行锁操作成功了，返回false，表示执行锁操作失败了。上面的方法每个步骤的作用已经注释了，流程非常清晰，上锁的过程，实际上就是更新AQS的state的过程，另外，注意这里默认是独占锁，所以CAS更新操作成功之后，还会设置当前线程为独占线程，而state，独占线程的引用变量等参数，都是AQS对象持有的，可以看到RenetrantLock的核心就是AQS，而NonfairSync是AQS的子类。
2.6 AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter()
上面执行锁操作，如果执行失败了，那么就会执行addWaiter()方法，这个方法是将当前线程封装成一个Node，然后将这个Node存入一个FIFO队列：
1 private Node addWaiter(Node mode) { 2 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 封装当前线程为Node对象 3 // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure 4 Node pred = tail; // tail是当前队列的队尾节点 5 if (pred != null) { 6 node.prev = pred; // 如果tail节点不是null，就把当前Node放到tail节点后面 7 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 原子操作，更新当前队列的队尾节点为新封装的Node节点 8 pred.next = node; 9 return node; 10 } 11 } 12 enq(node); // 如果tail节点是null，就会调用enq方法，进行必要的队列初始化，然后再把node节点入队操作 13 return node; 14 }
然后看enq(node)方法:
1 /** 2 * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. 3 * @param node the node to insert 4 * @return node's predecessor 5 */ 6 private Node enq(final Node node) { 7 for (;;) { // 自旋 8 Node t = tail; 9 if (t == null) { // Must initialize 10 if (compareAndSetHead(new Node())) // 如果队列尾节点是null，就初始化队列：1.创建头节点并，此时只有一个节点，头节点也是尾节点，注意，由于这是在一个自旋循环中的操作，所以这一步防止死循环 11 tail = head; 12 } else { // 当自旋操作确保了tail不为null以后，就会在这一步，把封装有当前线程的node节点入队 13 node.prev = t; 14 if (compareAndSetTail(t, node)) { 15 t.next = node; 16 return t; 17 } 18 } 19 } 20 }
以上方法通过自旋+CAS，将封装有当前线程对象的Node节点对象存入AQS对象维护的队列中，必须再次强调，CAS操作是JNI调用底层C代码保证更新操作的原子性，以保证同一时刻最多只能有一个线程成功更新目标值。
上述方法中，compareAndSetHead(new Node())采用原子操作创建的head节点，是一个没有封装任何thread的占位节点，因为这个时候还没有封装有线程的节点占有锁。
2.7 AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued()
此前的种种操作，总结起来其实就是尝试几次上锁，没上锁成功的话，就把当前线程排队。那么线程是怎么实现阻塞等待过程的呢，就是这个方法实现的，具体来说，这里的实现原理是线程每隔一段时间就会去尝试上锁操作，如果上锁成功的话就会继续执行被锁住的代码块，如果上锁失败会继续 阻塞--尝试上锁--阻塞--尝试上锁 这一过程，显然，从这里的描述来看，肯定又用到了自旋+CAS，所以说，ReentrantLock的最终要的算法就是自旋+CAS。
1 /** 2 * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in 3 * queue. Used by condition wait methods as well as acquire. 4 * 5 * @param node the node 6 * @param arg the acquire argument 7 * @return {@code true} if interrupted while waiting 8 */ 9 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 10 boolean failed = true; 11 try { 12 boolean interrupted = false; 13 for (;;) { 14 final Node p = node.predecessor(); // 当前节点的前置节点 15 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 只有前置节点是head节点的线程，才有资格去竞争锁操作 16 setHead(node); // 当前节点封装的线程成功获得锁，就设置为head节点 17 p.next = null; // help GC 18 failed = false; 19 return interrupted; 20 } 21 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 22 parkAndCheckInterrupt()) // 上一步没有获取锁，就阻塞一会。 23 interrupted = true; 24 } 25 } finally { 26 if (failed) 27 cancelAcquire(node); 28 } 29 }
这是lock()方法的核心，注意，只有封装了当前线程的节点的前置节点是头节点， 才能去争取锁，即tryAcquire()，这个方法在上面已经学习过了，其内部自旋+CAS的实现，保证只能有一个线程成功争取到锁操作。假设争取到了锁，就会把当前线程的节点设置为head节点。
每尝试一次锁操作，如果不成功，该线程便会阻塞一会，这个阻塞功能是在第二个if中的方法实现的shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt() ， 用自然语言描述就是:
if(要不要阻塞 && 阻塞一会) { 设置中断标志 }
1) 要不要阻塞shouldParkAfterFailedAcquire()
1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { 2 int ws = pred.waitStatus; // Node对象的属性，表示当前节点代表的线程的等待状态 3 if (ws == Node.SIGNAL) // 前置节点状态为SIGNAL，表示它获取了同步状态，那么节点就应该阻塞 4 /* 5 * This node has already set status asking a release 6 * to signal it, so it can safely park. 7 */ 8 return true; 9 if (ws > 0) { // 前置节点被cancel了 10 /* 11 * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and 12 * indicate retry. 13 */ 14 do { 15 node.prev = pred = pred.prev; // 连续赋值操作，将pred.prev分别赋值给pred和node.prev，这个操作循环进行，直到找到不是取消状态的前置节点 16 } while (pred.waitStatus > 0); 17 pred.next = node; // 剔除掉取消状态的节点 18 } else { 19 /* 20 * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we 21 * need a signal, but don't park yet. Caller will need to 22 * retry to make sure it cannot acquire before parking. 23 */ 24 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); // 设置前任节点为SIGNAL，设置成功，在下一次循环就会阻塞当前节点 25 } 26 return false; 27 }
以上方法主要是判断当前节点是否应该阻塞，如果返回了true，那么就会执行下面的方法实现阻塞
1 /** 2 * Convenience method to park and then check if interrupted 3 * 4 * @return {@code true} if interrupted 5 */ 6 private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 7 LockSupport.park(this); // 将线程挂起从而实现当前线程阻塞 8 return Thread.interrupted(); // 返回线程中断状态 9 }
这个方法调用了底层代码实现了线程挂起，具体细节就不再深究了。值得注意的是返回线程状态，在2.4节中我提了一个问题，就是在acquire()方法中，当成功执行了锁操作后，为什么要执行selfInterrupt()操作，这里就可以解答了，LockSupport.part()将线程挂起，支持两种结束方式，一种是前置节点释放锁之后，当前节点正常调用LockSupport.unPark()来取消阻塞，这里不涉及到中断，return Thread.interrupted()就为false；
第二种是LockSupport.park()支持其它线程中断当前线程的阻塞状态，这样返回Thread.interrupted()为true，但是Thread.interrupted()方法，是会清除线程的中断状态标记的，为什么这么做？这样做是为了使这个被中断的线程在acquireQueued方法中，下次阻塞时，忽略线程中断状态。 如果当前线程的前置节点是head节点，那么它成功获得锁之后，返回结果就应该是true ，然后调用selfInterrupt（）方法中断当前线程。
1 static void selfInterrupt() { 2 Thread.currentThread().interrupt(); 3 }
3. ReentrantLock 的unLock操作
ReentrantLock释放锁与上锁是相反的过程，而这一过程的底层，都是调用了AQS的方法。
1 public void unlock() { 2 sync.release(1); 3 }
3.1 sync.release
实际释放锁调用的是AQS的release方法,这个方法如下：
1 public final boolean release(int arg) { 2 if (tryRelease(arg)) { // 尝试释放锁 3 Node h = head; 4 if (h != null && h.waitStatus != 0) 5 unparkSuccessor(h); // 锁释放成功，会将head节点的watistatus设置为0，这样才可以使head节点的后继节点有资格去竞争锁，回忆上面的shouldParkAfterFailedAcquire()方法 6 return true; 7 } 8 return false; 9 }
释放锁过程很简单，就是：
1） 先尝试释放锁，如果成功了，
2) 取到head节点，如果head节点的waitStatus不是0(SIGNAL)，
3) 在unparkSuccessor方法中，就是将head节点的waitStatus状态设置为0，以同步AQS状态，使后继节点可以争取锁，并且在这步操作中结束后置节点的阻塞状态
3.2 sync.tryRelease()
1 protected final boolean tryRelease(int releases) { 2 int c = getState() - releases; // getState()获取到AQS的状态，是一个int值，代表一个线程上锁的次数，减去release代表要释放的锁的个数，这里假设为1 3 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) // 当前线程如果不是独占的，就抛出异常 4 throw new IllegalMonitorStateException(); 5 boolean free = false; 6 if (c == 0) { // c等于0表示AQS同步器没有线程独占，其它线程可以准备竞争上锁了 7 free = true; 8 setExclusiveOwnerThread(null); 9 } 10 setState(c); 11 return free; 12 }
这步操作也比较明确，就是去释放锁，并且更新AQS的状态，如果AQS的state==0，就返回true，以便于通知其它线程准备抢锁。
3.3 sync.unparkSuccessor()
1 private void unparkSuccessor(Node node) { 2 /* 3 * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try 4 * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this 5 * fails or if status is changed by waiting thread. 6 */ 7 int ws = node.waitStatus; 8 if (ws < 0) 9 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 10 11 /* 12 * Thread to unpark is held in successor, which is normally 13 * just the next node. But if cancelled or apparently null, 14 * traverse backwards from tail to find the actual 15 * non-cancelled successor. 16 */ 17 Node s = node.next; 18 if (s == null || s.waitStatus > 0) { 19 s = null; 20 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) 21 if (t.waitStatus <= 0) 22 s = t; 23 } 24 if (s != null) 25 LockSupport.unpark(s.thread); 26 }
这个方法中传入的node是head节点，进行以下操作：
1） 将head节点状态设置为0，但是如果这个节点的线程是1(CANCELED)，就不去设置
2） 这个head节点所持有的线程既然释放了锁，那么它的后继节点线程就应该解除阻塞状态去获取锁了
3） 该方法中使用for循环找到一个距离当前head节点最近的一个符合条件（不为null，且状态不是CANCELED）的节点
4） 调用LockSupport.unpark()方法，解除该节点线程的阻塞状态
在这里，LockSupport.unpark(s.thread)方法，使用JNI调用了底层代码实现的，不做解释。以上全部内容就结束了，鄙人才疏学浅，是鄙人学习Java过程中记录自己点点滴滴的理解过程，如果有任何错误和疏漏，希望能得到各位的赐教。
