本文是自己的學習筆記，主要參考資料如下
JavaSE文檔
- 1、AQS 概述
- 1.1、鎖的原理
- 1.2、任務隊列
- 1.2.1、結點的狀態變化
- 1.3、加鎖和解鎖的簡單流程
- 2、ReentrantLock
- 2.1、加鎖源碼分析
- 2.1.1、tryAcquire()的具體實現
- 2.1.2、acquirQueued()的具體實現
- 2.1.3、tryLock的具體實現
- 2.1.5、總結
1、AQS 概述
1.1、鎖的原理
AQS是指抽象類AbstractQueuedSynchronizer。這個抽象類代表著一種實現并發的方式。
具體實現方式是使用volitile修飾state變量，保證了state的可見性和有序性。最后使用CAS改變state的值，保證原子性。
那么AbstractQueuedSynchronizer通過更新state的值來實現的加鎖和解鎖。
下面是關鍵源代碼的截圖。
1.2、任務隊列
AQS中維護了一個任務隊列，是一個雙向隊列。隊列節點是內部類Node。
在Node中記錄者節點的狀態waitStatus，比如CANCEL，SIGNAL等分別表示該任務節點已經取消和任務節點正在沉睡需要被喚醒。
當然，因為是雙向列表所以也有指向前后節點的指針。下面是Node源碼的部分截圖。
這個隊列會初始化一個頭結點和一個尾結點作為虛擬節點。頭結點的狀態在整個加鎖和釋放鎖的過程中都會變化。
1.2.1、結點的狀態變化
當頭結點指向的Node才擁有鎖。
這里主要介紹三個狀態
0, 表示當前Node后續無節點在排隊。不表明是否擁有鎖。-1，表示除了當前Node在排隊以外，還有其他Node排在當前Node后面。不表明是否擁有鎖。1，表示當前Node可能因為等待時間太長而放棄獲取鎖。
下面是三個Node在隊列中的狀態。這里從左到右解釋他們的狀態。
head指向第一個Node，所以當前Node擁有鎖。
第一個Node的waitStatus=-1表示后續有節點等待獲取鎖。當該節點釋放鎖時會喚醒后續的節點。
第二個Node的waitStatus = -1，后續有節點等待獲取鎖。
第三個Node的waitStatus = 0，后續無節點等待獲取鎖。
1.3、加鎖和解鎖的簡單流程
假設有兩個線程A和B，他們需要爭奪基于AQS實現的鎖，下面是爭奪的簡單流程。
- 線程A先執行CAS，將state從0修改為1，線程A就獲取到了鎖資源，去執行業務代碼即可。
- 線程B再執行CAS，發現state已經是1了，無法獲取到鎖資源。
- 線程B需要去排隊，將自己封裝為Node對象。
- 需要將當前B線程的Node放到雙向隊列保存，排隊。
2、ReentrantLock
2.1、加鎖源碼分析
ReentrantLock分為公平鎖和非公平鎖。在加鎖的時候因這兩種鎖的不同會有不同的加鎖方式。
ReentrantLock默認是非公平鎖，構造方法中傳入false則是公平鎖。
非公平鎖的lock()方法會直接基于CAS嘗試獲取鎖，如果成功的話則執行setExclusiveOwnerThread()方法表示當前線程持有該鎖；如果失敗則執行acquire()方法。
公平鎖則是直接執行acquire()方法。下面是源碼對比。
接下來的重點則是看acquire()的具體操作。
tryAcquire()方法會再次嘗試獲取鎖，如果成功返回true，否則返回false。
可以看到如果失敗的話則將請求放到等待隊列中同時發送中斷信號。
2.1.1、tryAcquire()的具體實現
- 非公平鎖
非公平鎖會嘗試再次直接通過CAS獲取鎖資源。因為是可重入鎖，所以當鎖的持有者是當前線程時也可直接獲取鎖，然后計數器加一。
- 公平鎖
公平鎖的邏輯與非公平鎖類似，只不過再獲取鎖之前會先判斷AQS中自己是不是排在第一位，之后才會獲取鎖。
2.1.2、acquirQueued()的具體實現
當tryAcquire()返回false，即獲取鎖失敗，就開始嘗試將當前線程封裝成Node節點插入到AQS的結尾。
在插入時我們會看到if(p == head && tryAcquire(arg))這樣的語句。
這是因為AQS有偽頭結點，所以當這個線程插入到AQS中時發現自己的上一個節點是頭結點，即自己排在第一位，那無論是公平鎖還是非公平鎖自己都可以再次測試獲取鎖。所以會再次執行tryAcquire()。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {// 不考慮中斷// failed：獲取鎖資源是否失敗（這里簡單掌握落地，真正觸發的，還是tryLock和lockInterruptibly）boolean failed = true;try {boolean interrupted = false;for (;;) {// 拿到當前節點的前繼節點final Node p = node.predecessor();// 前繼節點是否是head，如果是head，再次執行tryAcquire嘗試獲取鎖資源。if (p == head && tryAcquire(arg)) {// 獲取鎖資源成功setHead(node);p.next = null; // 獲取鎖失敗標識為falsefailed = false;return interrupted;}// 沒拿到鎖資源……// shouldParkAfterFailedAcquire：基于上一個節點轉改來判斷當前節點是否能夠掛起線程，如果可以返回true，// 如果不能，就返回false，繼續下次循環if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&// 這里基于Unsafe類的park方法，將當前線程掛起parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)// 在lock方法中，基本不會執行。cancelAcquire(node);}
}
2.1.3、tryLock的具體實現
無參的tryLock()比較簡單，和tryAcquire()基本沒區別。
這里主要講解有參的tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)。
它的作用在一個時間內嘗試獲得鎖。在這個時間內沒有獲得鎖會掛起park線程。如果成功則返回true，時間結束還沒有獲得則返回false。
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
該方法需要處理中斷異常，和lock()方法不一樣。
我們繼續深入。
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();return tryAcquire(arg) ||doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
可以看到，它直接通過線程的中斷標志位決定是否拋出異常。
之后進行tryAcquire()，這個方法細節上面分析過，它有公平和非公平兩種實現，簡而言之就是非公平直接嘗試CAS加鎖，公平則是進入隊列排隊。
也就是說，最后它會正常加鎖，只有失敗時才會執行doAcquireNanos()。所以有參的tryLock()方法park線程的細節就在其中。
那下面就看看這個方法的內部。
核心就是線程會被封裝Node放到隊列中，之后查看時間，如果時間比較長，就park線程直到時間結束后再嘗試獲取鎖；如果時間比較短，就在死循環中等到時間結束然后再次獲得鎖。
因為park的線程主要會因兩個動作結束park，即時間到，或者線程發出中斷狀態，所以最后會查看park是因為什么結束的。如果是中斷則拋出異常，否則嘗試獲取鎖。
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)throws InterruptedException {// 如果等待時間是0秒，直接告辭，拿鎖失敗 if (nanosTimeout <= 0L)return false;// 設置結束時間。final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;// 先扔到AQS隊列final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);// 拿鎖失敗，默認trueboolean failed = true;try {for (;;) {// 如果在AQS中，當前node是head的next，直接搶鎖final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return true;}// 結算剩余的可用時間nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();// 判斷是否是否用盡的位置if (nanosTimeout <= 0L)return false;// shouldParkAfterFailedAcquire：根據上一個節點來確定現在是否可以掛起線程if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&// 避免剩余時間太少，如果剩余時間少就不用掛起線程nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)// 如果剩余時間足夠，將線程掛起剩余時間LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);// 如果線程醒了，查看是中斷喚醒的，還是時間到了喚醒的。if (Thread.interrupted())// 是中斷喚醒的！throw new InterruptedException();}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}
2.1.5、總結
ReentrantLock的加鎖有公平鎖和非公平鎖兩種方式。
對于非公平鎖，任務一開始會直接嘗試通過CAS獲取鎖，失敗后才會進入任務隊列。并且進入的時候會再次嘗試獲取鎖。整個過程并不考慮其他節點等了多久，所以才是非公平鎖。
對于公平鎖，任務會按序先進入任務隊列，直到有人喚醒他們才會開始獲取鎖。
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