从ReentrantLock到AQS的原理及应用
前言
Java并发包（JUC：java.util.concurrent）中提供了很多并发工具，这其中，很多我们耳熟能详的并发工具，ReentrantLock、Semaphore，它们的实现都用到了一个共同的基类--AbstractQueuedSynchronizer,简称AQS。AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。
AQS负责管理同步器类中的状态，他管理了一个整数状态信息，可以通过getState、setState、compareAndSetState等类型方法来进行操作。ReentrantLock表示所有线程已经重复获取所的次数，Semaphore表示剩余许可数量。
ReentrantLock
1.1 ReentrantLock概览
ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。ReentrantLock 类实现了 Lock ，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。（换句话说，当许多线程都想访问共享资源时，JVM 可以花更少的时候来调度线程，把更多时间用在执行线程上。）
ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有。
可重入：ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO（先进先出）的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会尝试获取锁而不需要马上排队（ 获取不到锁再排队 ）。
通常我们会将ReentrantLock和synchronized做比较，两者孰优孰劣，其实在java官方对synchronized进行了诸多优化之后（ 偏向锁、轻量锁、自适应自旋、锁消除、锁粗化... ），两者的性能差距并不大，只是在某些方面存在差异而已，在此用一张表格做一个简单的对比：
// **************************Synchronized的使用方式**************************
// 1.用于代码块
synchronized (this) {}
// 2.用于对象
synchronized (object) {}
// 3.用于方法
public synchronized void test () {}
// 4.可重入
for (int i = 0; i < 100; i++) {
synchronized (this) {}
}
// **************************ReentrantLock的使用方式**************************
public void test () throw Exception {
// 1.初始化选择公平锁、非公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
// 2.可用于代码块
lock.lock();
try {
try {
// 3.支持多种加锁方式，比较灵活; 具有可重入特性
if(lock.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)){ }
} finally {
// 4.手动释放锁
lock.unlock()
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
1.2 ReentrantLock与AQS
上面我们对ReentrantLock有了一个大概的了解，接下来可以来看看ReentrantLock和AQS之间到底是什么关系呢，其实ReentrantLock的底层就是使用的AQS实现的，我们一起来看看源码：
/**ReentrantLock 实现了Lock类 其中有一个字段，Sync **/
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
private final Sync sync;
/**
* Sync就是继承了AQS的抽象类，此锁的同步控制基础。
* 下面将Sync细分为公平锁和非公平锁。
* 使用AQS的state来表示锁的重入次数。
*/
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
/**
* 抽象的lock方法，分别给公平锁和非公平锁具体实现。
*/
abstract void lock();
...
}
/**
* 非公平锁
*/
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
...
}
/**
* 公平锁
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
...
}
/**
* ReentrantLock的默认构造方法，默认创建非公平锁
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
/**
* 通过传入boolean参数来决定创建公平锁还是非公平锁。
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
ReentrantLock中的公平锁和非公平锁实现方式差别不大，差别在于公平锁判断是否直接进入队列，先看看非公平锁的加锁流程源码：
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**加锁方法**/
final void lock() {
//若通过CAS设置变量State（同步状态）成功，也就是获取锁成功，则将当前线程设置为独占线程。
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//若通过CAS设置变量State（同步状态）失败，也就是获取锁失败，则进入Acquire方法进行后续处理。
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
再看下公平锁源码中获锁的方式：
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
...
}
通过查看公平锁和非公平锁获取锁的源码得知，都会通过lock()方法区上锁，但是lock()方法到底是怎么上锁的呢？带着这样的疑问，我们继续跟踪一下会发现，这个方法属于FairSync和NonfairSync的父类 AQS (AbstractQueuedSynchronizer)的核心方法。
在了解AQS之前，我们带着几个疑问：
- 上面提到的通过CAS尝试改变state的状态来表示获取锁成功或者失败，如果获取失败了，调用 acquire() 方法，是怎么实现的呢？
- 获取不到锁，这个线程是在干嘛呢？不断尝试锁？还是挂起等待唤醒？
下面我们会对AQS以及ReentrantLock和AQS的关联做详细介绍。
AQS
了解AQS之前，先看看AQS的整体框架：
- 上图中有颜色的为Method，无颜色的为Attribution。
- AQS框架共分为五层，自上而下由浅入深，从AQS对外暴露的API到底层基础数据。
- 当有自定义同步器接入时，只需重写第一层所需要的部分方法即可，不需要关注底层具体的实现流程。当自定义同步器进行加锁或者解锁操作时，先经过第一层的API进入AQS内部方法，然后经过第二层进行锁的获取，接着对于获取锁失败的流程，进入第三层和第四层的等待队列处理，而这些处理方式均依赖于第五层的基础数据提供层。
AQS概述
AQS维护一个用 Volatile的int类型state的共享资源 ，通过内置的FIFO来完成获取资源线程的排队工作。（ 这个内置的同步队列称为"CLH"队列 ）。该队列由一个一个的Node结点组成，每个Node结点维护一个prev引用和next引用，分别指向自己的前驱和后继结点。AQS维护两个指针，分别指向队列头部head和尾部tail。
其实就是个变体 双端双向链表 。
当线程获取资源失败（比如tryAcquire时试图设置state状态失败），会被构造成一个结点加入CLH队列中，同时当前线程会被阻塞在队列中（通过LockSupport.park实现，其实是等待态）。当持有同步状态的线程释放同步状态时，会唤醒后继结点，然后此结点线程继续加入到对同步状态的争夺中。
Node节点
static final class Node {
/** waitStatus值，表示线程已被取消（等待超时或者被中断）*/
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus值，表示后继线程需要被唤醒（unpaking）*/
static final int SIGNAL = -1;
/**waitStatus值，表示结点线程等待在condition上，当被signal后，会从等待队列转移到同步到队列中 */
static final int CONDITION = -2;
/** waitStatus值，表示下一次共享式同步状态会被无条件地传播下去
static final int PROPAGATE = -3;
/** 等待状态，初始为0 */
volatile int waitStatus;
/**当前结点的前一个结点 */
volatile Node prev;
/** 当前结点的后一个结点 */
volatile Node next;
/** 与当前结点关联的排队中的线程 */
volatile Thread thread;
/** ...... */
}
同步状态State
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
protected final int getState() {
return state;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
通过AQS中state的源码可以看出，关于state的方法都是final修饰的，说明子类中无法重写它们。我们可以通过修改State字段表示的同步状态来实现多线程的 独占模式和共享模式（加锁过程） 。
一般来说，自定义同步器要么是独占方式，要么是共享方式，它们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。ReentrantLock是独占锁，所以实现了tryAcquire-tryRelease。
独占模式(通过ReentrantLock理解AQS)
获取同步状态--acquire()
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
- tryAcquire :首先，调用tryAcquire方法，若返回true，意味着获取同步状态成功，后面的逻辑不再执行；若返回false，也就是获取同步状态失败，进入acquireQueued步骤；
- acquireQueued :此时，获取同步状态失败，构造独占式同步结点，通过 addWatiter 将此结点添加到同步队列的尾部（此时可能会有多个线程结点试图加入同步队列尾部，需要以线程安全的方式添加）；
- selfInterrupt :该结点以在队列中尝试获取同步状态，若获取不到，则阻塞结点线程，直到被前驱结点唤醒或者被中断。
以非公平锁为例，可以看到获取锁的大体流程：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取state的值
int c = getState();
//如果state为0，说明当前没有其他线程占用共享资源，可以尝试获取锁
if (c == 0) {
//用CAS修改state的值
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//修改成功，获取锁成功，处理当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
//返回获取锁成功
return true;
}
}
//如果state不为0，判断占用锁的线程是否是当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//如果是当前线程，对state做增量递增
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置state
setState(nextc);
//返回获取锁成功（可重入的原理）
return true;
}
return false;
}
- 获取当前线程；
- 获取state的值；
- 如果state为0，说明当前没有其他线程占用共享资源，可以尝试获取锁；
- 用CAS修改state的值；修改成功，获取锁成功，处理当前线程；
- 返回获取锁成功；
- 如果state不为0，判断占用锁的线程是否是当前线程；
- 如果是当前线程，对state做增量递增；
- 返回获取锁成功（可重入的原理）。
值的注意得地方是，公平锁中多了一部判断，再来看看公平锁获取锁的大概流程：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程；
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取state的值；
int c = getState();
//如果state为0，说明当前没有其他线程占用共享资源，可以尝试获取锁
if (c == 0) {
//判断当前等待队列中是否存在有效节点的方法，
//如果返回False，说明当前线程可以争取共享资源；
//如果返回True，说明队列中存在有效节点，当前线程必须加入到等待队列中。
//用CAS修改state的值；修改成功，获取锁成功，处理当前线程；
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果state不为0，判断占用锁的线程是否是当前线程；
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//如果是当前线程，对state做增量递增；
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//返回获取锁成功（可重入的原理）。
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
/**判断当前等待队列中是否存在有效节点的方法**/
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
// The correctness of this depends on head being initialized 其正确性取决于是否初始化头结点
// before tail and on head.next being accurate if the current 如果当前节点在头结点和尾结点之间
// thread is first in queue. 线程在队列中第一个
// 获取当前尾结点
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
// 获取当前尾结点
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
双向链表中，第一个节点为虚节点，其实并不存储任何信息，只是占位。
真正的第一个有数据的节点，是在第二个节点开始的。
当h != t时：
1. 如果(s = h.next)==null，等待队列正在有线程进行初始化，但只是进行到了Tail指向Head，没有将Head指向Tail，
此时队列中有元素，需要返回True（这块具体见下边addWaiter()已经enq()代码分析）。
2. 如果(s = h.next) != null，说明此时队列中至少有一个有效节点，
3. 如果此时s.thread ==Thread.currentThread()，说明等待队列的第一个有效节点中的线程与当前线程相同，
那么当前线程是可以获取资源的；
4. 如果s.thread != Thread.currentThread()，说明等待队列的第一个有效节点线程与当前线程不同，当前线程必须加入进等待队列。
进入队列 addWaiter()
当尝试获取锁成功，则直接结束并返回；
当尝试获取锁失败，则进入下一步:线程加入等待队列 addWaiter()
private Node addWaiter(Node mode) {
//用当前线程和传入的锁模式新建一个Node
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//先获取到当前的尾结点，将尾结点指向到Node pred
Node pred = tail;
//如果获取到的尾结点不为空
if (pred != null) {
//将新建节点的前置节点设置为上面获取到的tail(tail节点的后直接点此时为null)
node.prev = pred;
//利用CAS修改尾结点的值（将新建的node节点设置为tail尾结点）
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
//如果设置成功了，将之前获取到的pred（修改之前的尾结点）的后置节点修改为当前新建的node节点
pred.next = node;
//返回修改成功的新的节点（此时此新建的这个node节点为新的tail节点）
return node;
}
}
//如果获取到的tail节点为null，（说明等待队列中没有元素），
//或者当前Pred指针和Tail指向的位置不同（说明被别的线程已经修改），
//enq()中处理了以上两种情况
enq(node);
return node;
}
如果没有被初始化，需要进行初始化一个头结点出来。但请注意， 初始化的头结点并不是当前线程节点，而是调用了无参构造函数的节点 。如果经历了初始化或者并发导致队列中有元素，则与之前的方法相同。其实，addWaiter就是一个在双端链表添加尾节点的操作，需要注意的是，双端链表的头结点是一个无参构造函数的头结点。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
//获取当前的尾结点指向到t
Node t = tail;
//如果此时尾结点为空
if (t == null) { // Must initialize 必须要初始化一个头结点
//利用CAS初始化一个头部（调用无参构造，头肩点内部都为null）
if (compareAndSetHead(new Node()))
//将尾结点设置为头节点（此时就一个节点头结点和尾结点是一个）
tail = head;
} else {
//如果尾结点不为null,将新建的节点node的前置节点设置为t
node.prev = t;
//通过CAS修改尾结点，将尾结点指向为新的node,
//这个方法主要是对tailOffset和Expect进行比较，如果tailOffset的Node和Expect的Node地址是相同的，
//那么设置Tail的值为Update的值。
if (compareAndSetTail(t, node)) {
//修改成功，将之前的尾结点（现在的倒数第二个节点）的后置节点设置为新的尾结点(node)
//返回倒数第二个节点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
何时出列 acquireQueued()
通过上面的addWaiter()方法我们可以知道，通过将一个新建的Node节点放入到队列里等候获取锁的资格，那么进入队列之后，怎么才能获取到锁呢？接下来我们来看看线程怎么获取锁。
总的来说，一个线程获取锁失败了，被放入等待队列，acquireQueued会把放入队列中的线程不断去获取锁，直到获取成功或者不再需要获取（中断）。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标记是否成功拿到资源
boolean failed = true;
try {
//标记是否被中断过
boolean interrupted = false;
//开始自旋
for (;;) {
//获取当前节点的前置节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前置节点是头节点，说明当前节点是第一个有效节点（头节点是虚节点），开始尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取到锁，头指针移动到当前node
//setHead方法是把当前节点置为虚节点，但并没有修改waitStatus，因为它是一直需要用的数据。
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 说明是p不为头结点 或者 p为头节点且当前没有获取到锁（可能是非公平锁被抢占了），
//这个时候就要判断当前node是否要被阻塞（被阻塞条件：前驱节点的waitStatus为-1），防止无限循环浪费资源。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**判断当前node是否要被阻塞**/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取前置节点的阻塞状态
int ws = pred.waitStatus;
//如果 Node.SIGNAL -1 状态，说明前置节点的状态为唤醒状态
if (ws == Node.SIGNAL)
//可以直接park（直接阻塞）
return true;
//waitStatus>0是取消状态 如果前置节点是取消状态
if (ws > 0) {
// 循环向前查找取消节点，把取消节点从队列中剔除
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 设置前置节点等待状态为SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
CANCELLED状态节点生成 cancelAcquire()
private void cancelAcquire(Node node) {
// 将无效节点过滤
if (node == null)
return;
// 设置该节点不关联任何线程，也就是虚节点
node.thread = null;
Node pred = node.prev;
// 通过前驱节点，跳过取消状态的node
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// 获取过滤后的前驱节点的后继节点
Node predNext = pred.next;
// 把当前node的状态设置为CANCELLED
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// 如果当前节点是尾节点，将从后往前的第一个非取消状态的节点设置为尾节点
// 更新失败的话，则进入else，如果更新成功，将tail的后继节点设置为null
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
int ws;
// 如果当前节点不是head的后继节点，1:判断当前节点前驱节点的是否为SIGNAL，2:如果不是，则把前驱节点设置为SINGAL看是否成功
// 如果1和2中有一个为true，再判断当前节点的线程是否为null
// 如果上述条件都满足，把当前节点的前驱节点的后继指针指向当前节点的后继节点
if (pred != head && ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
// 如果当前节点是head的后继节点，或者上述条件不满足，那就唤醒当前节点的后继节点
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}
以上从ReentrantLock的获取锁，上锁来对AQS的获取锁过程做了介绍，后续会继续将AQS释放锁的原理做介绍，未完待续...
参考
- 从ReentrantLock的实现看AQS的原理及应用
- Java并发包基石-AQS详解
正文到此结束
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