从 AbstractQueuedSynchronizer 理解 ReentrantLock

简介

Java 并发编程离不开锁， Synchronized 是常用的一种实现加锁的方式，使用比较简单快捷。在 Java 中还有另一种锁，即 Lock 锁。 Lock 是一个接口，提供了超时阻塞、可响应中断以及公平非公平锁等特性，相比于 Synchronized，Lock 功能更强大，可以实现更灵活的加锁方式。

Lock 的主要实现类是 ReentrantLock，而 ReetrantLock 中具体的实现方式是利用另外一个类 AbstractQueuedSynchronizer，所有的操作都是委托给这个类完成。AbstractQueuedSynchronizer 是 Lock 锁的重要组件，本文从 AbstractQueuedSynchronizer 来分析 ReetrantLock 的实现原理。

基本用法

先看一下 Lock 的基本用法：

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

lock.lock() 即是加锁， lock.unolck() 是释放锁，为了保证所能够释放，unlock() 应该放到 finally 中。

下面分别从 lock() 和 unlock() 方法来分析加锁和解锁到底做了什么。

lock

下面是 lock() 的代码：

    public void lock() {
        sync.lock();
    }

可以看到，只是简单调用了 sync 对应的 lock() 方法。那么这个 sync 是什么呢？其实这个就是 AbstractQueuedSynchronizer 的实现类。可以看一下 ReentrantLock 的构造方法：

    /**
     * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
     * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
     */
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    /**
     * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
     * given fairness policy.
     *
     * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
     */
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

ReentrantLock 有两个方法，主要目的是选择是公平锁还是非公平锁。公平锁指的是先来后到，先争抢锁的线程先获得锁，而非公平锁则不一定。ReentrantLock 默认使用的是非公平锁，也可以通过构造参数选择公平锁。选择哪个锁其实是生成了一个对象并赋值给变量 sync，下面是涉及到的代码：


/**
     * Base of synchronization control for this lock. Subclassed
     * into fair and nonfair versions below. Uses AQS state to
     * represent the number of holds on the lock.
     */
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;

        /**
         * Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
         * is to allow fast path for nonfair version.
         */
        abstract void lock();

        /**
         * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
         * subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
         */
        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;
        }

        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;
        }

        protected final boolean isHeldExclusively() {
            // While we must in general read state before owner,
            // we don't need to do so to check if current thread is owner
            return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
        }

        final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }

        // Methods relayed from outer class

        final Thread getOwner() {
            return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
        }

        final int getHoldCount() {
            return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
        }

        final boolean isLocked() {
            return getState() != 0;
        }

        /**
         * Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).
         */
        private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
            throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
            s.defaultReadObject();
            setState(0); // reset to unlocked state
        }
    }
    // 非公平锁
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

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

    /** 
     * Sync object for fair locks
     *  公平锁
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    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;
        }
    }

在 ReentrantLock 中有一个抽象的内部类 Sync，继承于 AbstractQueuedSynchronizer 并实现了一些方法。另有两个类 FairSync 和 NoFairSync 继承了 Sync，它们自然就是公平锁以及非公平锁的实现。下面分析将从公平锁出发，非公平锁与公平锁差别并不是很多。

公平锁 FairSync 加锁的代码如下：

    final void lock() {
        acquire(1);
    }

只有一行，调用了 acquire，这是 AbstractQueuedSynchronizer 中的一个方法，代码如下：

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

acquire 的实现也很短，不多在其中却包含了加锁的具体实现，关键就在内部调用的几个方法中。

为了理解加锁和解锁的过程，下面具体介绍一下 AbstractQueuedSynchronizer（以下简称 AQS）。

AbstractQueuedSynchronizer

AQS 中使用一个同步队列来实现线程同步状态的管理，当一个线程获取锁失败的时候， AQS将此线程构造成一个节点(Node)并加入同步队列并且阻塞线程。当锁释放时，会从同步队列中将第一个节点唤醒并使其再次获取锁。

同步队列中的节点用来保存获取锁失败的线程的相关信息，包含如下属性：

static final class Node {
        /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
        // 标识共享模式
        static final Node SHARED = new Node();
        /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
        // 标识独占模式
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        /** waitStatus value to indicate thread has cancelled. */
        // 线程取消
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking. */
        // 需要唤醒后继节点
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition. */
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
         * unconditionally propagate.
         */
        static final int PROPAGATE = -3;
        // 节点状态，为上面的几个状态之一
        volatile int waitStatus;
        // 前置节点
        volatile Node prev;
        // 后继节点
        volatile Node next;
        // 节点所表示的线程
        volatile Thread thread;
        
        Node nextWaiter;
        ...
}

Node 是 AQS 的内部类，其中包含一些属性标识一个阻塞线程的节点，包括是独占模式还是共享模式、节点的状态、前驱结点、后继结点以及节点所代表的线程。

同步队列是一个双向列表，在 AQS 中有这样几个属性：

     /**
     * Head of the wait queue, lazily initialized.  Except for
     * initialization, it is modified only via method setHead.  Note:
     * If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be
     * CANCELLED.
     */
     // 头结点
    private transient volatile Node head;

    /**
     * Tail of the wait queue, lazily initialized.  Modified only via
     * method enq to add new wait node.
     */
     // 尾节点
    private transient volatile Node tail;

    /**
     * The synchronization state.
     */
     // 锁的状态
    private volatile int state;

其中，head 和 tail 分别指向同步队列的头结点和尾节点，state 标识锁当前的状态，为 0 时表示当前锁未被占用，大于 1 表示被占用，之所以是大于 1 是因为锁可以重入，每重入一次增加 1。同步队列的结构大致如下图：

lock_queue

了解了同步队列后，下面具体看看加锁和解锁的过程。

加锁

    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    public final void acquire(int arg) {
        // 加锁的主要代码
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

主要逻辑其实就是一行代码：if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))，tryAcquire 是尝试获取一下锁，为什么说是尝试呢？看代码：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();  // 获取当前状态
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 成功获取到锁
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 重入
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
}

tryAcquire 可以分为三条分支：

当前锁未被占用（getState() == 0），则判断是否有前驱结点，没有的话就用 CAS 加锁(compareAndSetState(0, acquires))，加锁成功则调用 setExclusiveOwnerThread(current) 标示一下并返回 true。
当前线程已经获取过这个锁，则此时是重入，改变 state 的计数即可，返回 true 表示加锁成功。
如果不是上面两种情况，那么说明锁被占用或者 CAS 没有抢过其它线程，则需要进入同步队列，返回 false 表示尝试加锁失败。

回到 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 这一行，如果 tryAcquire(arg) 返回 false 将会执行 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)。先看一下 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) ，这个方法的代码如下所示：

private Node addWaiter(Node mode) {
        // 将线程包装成 Node 
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        // 尾节点为空
        if (pred != null) { 
            node.prev = pred; 
            if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        
        enq(node);
        return node;
}

其中主要逻辑是将当前线程包装为一个 Node 节点并加入同步队列。如果尾节点为空，则用 CAS 设置尾节点，如果入队失败则调用 enq(node)，这个方法内部是一个循环，利用自旋 CAS 把节点加入同步队列，具体代码就不分析了。

在节点加入队列之后，执行的是 acquireQueued 方法，代码如下：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            // 这是一个无限循环
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果前驱节点是 head，则尝试获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                 // 获取锁失败则进入判断是否要进入睡眠
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

acquireQueued 实现了线程的睡眠与唤醒。在内部是一个无限循环，每次获取前驱节点，如果前驱结点是 HEAD，那么尝试去获取锁，获取成功则将此节点变为新的头结点并将原先的头结点出队。如果前驱节点不是头结点或者获取锁失败，那么就会进入 shouldParkAfterFailedAcquire 方法，判断是否进入睡眠，如果这个方法返回 true，则调用 parkAndCheckInterrupt 让线程进入睡眠状态。下面是 parkAndCheckInterrupt 的代码：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this); // 线程在这一步进入阻塞状态
        return Thread.interrupted();
}

对于 shouldParkAfterFailedAcquire 来说，如果前驱节点正常，那么会返回 true，表示当前线程应该挂起，如果前驱结点取消了排队，那么当前线程有机会抢锁，此时返回 false，并继续 acquireQueued 中的循环。

解锁

相比于加锁，解锁稍微简单一点，看一下 unlock 的代码：

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

public final boolean release(int arg) {
     // 尝试解锁
    if (tryRelease(arg)) {
        // 解锁成功
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 唤醒后继节点
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

首先调用 tryRelease 解锁，如果解锁成功则唤醒后继结点，返回值表示是否成功释放锁。那为什么会解锁不成功，其实是因为重入，看一下 tryRelease 的代码：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //  更新 state 计数值
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 是否完全释放锁
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

将 state 减去对应的值，如果 state == 0，那么说明锁已经完全释放。

在 release 中，如果锁已经完全释放，那么将调用 unparkSuccessor 唤醒后继节点，唤醒的节点所代表的线程阻塞在 parkAndCheckInterrupt 中：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this); // 线程在这一步进入阻塞状态
        return Thread.interrupted();
}

线程被唤醒后，将继续 acquireQueued 中的循环，尝试获取锁。

总结

本文简要分析了 Lock 锁的原理，主要是利用 AbstractQueuedSynchronizer这个关键的类。AQS 的核心在于使用 CAS 更新锁的状态，并利用一个同步队列将获取锁失败的线程进行排队，当前驱节点解锁后再唤醒后继节点，是一个几乎纯 Java 实现的加锁与解锁。

如果我的文章对您有帮助，不妨点个赞支持一下(^_^)

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