ReentrantLock及AQS淺談

一、AQS簡介

        AQS全稱AbstractQueuedSynchronizer,是java併發包中的一個類，該類更像是一個框架，提供了一些模板方法供子類實現，從而實現了不同的同步器，如下圖所示。ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，ThreadPoolExecutor這些常見類都使用了AQS。
 

 
以下是AQS的成員變量：
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;
static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;
private static final long headOffset;
private static final long tailOffset;
private static final long waitStatusOffset;
private static final long nextOffset;
 
       看到這裏大致能猜到AQS內部維護了一個雙向鏈表，head,tail分別指向頭尾，事實上，Node節點封裝了嘗試獲取鎖的線程對象，所有嘗試獲取鎖的線程組成了一個鏈表，在公平鎖情況下，例如ReentrantLock中的AQS子類FairSync，每次都是按照順序頭部節點先被喚醒並嘗試獲取鎖。
        state 是同步狀態位，具體是否能夠獲取鎖就是通過修改state來實現，下面會有具體代碼分析。
        spinForTimeoutThreshold相當於一個閾值，在一些提供等待時間的獲取鎖操作時，例如ReentrantLock. tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，在判定是否需要阻塞線程時，如果時間小於spinForTimeoutThreshold，則不會被阻塞，用於快速響應一些等待時間很短的獲取鎖操作。
       其他成員變量是關於CAS操作的，AQS的很多操作都是基於CAS原子操作的，以確保線程安全。

 

二、ReentrantLock簡介

ReentrantLock是根據AQS實現的獨佔鎖，提供了兩個構造方法，如下圖所示：
 

 
ReentrantLock有三個內部類：Sync，NonfairSync，FairSync，繼承關係如下：
 

 
ReentrantLock提供兩種類型的鎖：公平鎖，非公平鎖。分別對應FairSync，NonfairSync。默認實現是NonFairSync。
ReentrantLock提供了lock()，lockInterruptibly()，tryLock()，tryLock(long timeout, TimeUnit unit)四種獲取鎖的方式。

 

三、非公平鎖lock源碼分析

下面從ReentrantLock.lock()簡述一下其源碼實現
 

 
lock()方法內部是委託給sync變量來實現的，下面是NonfairSync的lock方法源碼：
 

 
       在NonfairSync的lock方法體裏，首先嚐試修改state的值，上面說到，AQS很多操作都是基於CAS的，在這裏，設置state的期望值是0（沒有線程持有鎖時的狀態），修改值爲1，如果成功，則返回true，並且設置持有鎖的線程爲當前線程。樂觀情況下，lock方法獲取鎖操作到這裏就結束了。
      但是，很多情況下並不是那麼樂觀，如果compareAndSetState操作失敗，就會進入到acquire方法：
 

 
acquire方法在AQS類，這裏，首先會調用tryAcquire方法，該方法的具體實現在NonfairSync中：

 
tryAcquire方法內部調用了Sync的nonfairTryAcquire方法：

 
       在Sync的nonfairTryAcquire方法體裏，如果state爲0，會再做一次compare and set操作，嘗試修改state的值爲1。
       如果state不爲0，判斷當前線程是否是持有獨佔鎖的線程，如果是，將state值加上acquires（傳入的是1），這裏就是ReentrantLock可重入的內部實現。
       如果方法返回true，那麼獲取鎖的操作結束，如果返回false，回到AQS的acquire()方法內部：

 
會繼續調用方法addWaiter，返回結果後，執行 acquireQueued方法。下面看一下addWaiter方法：

 
       如上圖所示，addWaiter方法的功能是將當前線程封裝成Node，並加入到AQS鏈表尾部，參數mode是傳入的Node.EXCLUSIVE,代表實例化的node是獨佔模式，而非共享模式，注意如果pred == null表示內部隊列還沒有初始化，則會調用enq(node)。或者pred != null 但是在compareAndSetTail失敗時，也會調用enq(node)。例如，同時有多個線程node嘗試加入到鏈表末尾，就會存在失敗的可能。
進入到enq方法內部：

 
       這個方法的最外層是一個大的for循環，並且是一個死循環。出口返回條件只有一個：成功加入到鏈表的末尾。前面講到，在鏈表爲空或者添加node到鏈表末尾失敗時會進入到enq方法，這裏首先判斷tail是否爲空，如果爲空，實例化一個空的Node節點，並且tail和head都指向這個空的Node，如果不爲空，將node加入到鏈表末尾，如下圖所示：
 

 
將node成功加入到鏈表中後，回到AQS的acquire()方法內部，開始執行acquireQueued方法：
 

 
       這裏也是一個循環，循環體內首先獲取node的前一個節點，即node.prev指向的節點p，接着判斷p是否是head節點，如果是head節點，會嘗試獲取鎖，tryAcquire方法在上面已經分析過。獲取鎖成功之後，sethead(node)會把node節點置爲頭節點，p.next = null將之前的head節點指向斷掉，幫助jvm觸發GC。最後返回當前線程在獲取鎖過程中是否曾經被中斷。
       如果node.prev不是頭節點，不會嘗試獲取鎖，這也就是AQS內部鏈表的作用，會從鏈表的頭部開始嘗試獲取鎖，達到一個FIFO的作用。獲取鎖失敗或者node.prev不是頭節點，則會執行shouldParkAfterFailedAcquire：

 
       Node.SIGNAL說明該節點準備好被喚醒，若節點沒有設置爲該狀態，線程不會阻塞。
shouldParkAfterFailedAcquire方法有三個作用：1、若pred.waitStatus狀態位大於0，說明這個節點已經取消了獲取鎖的操作，doWhile循環會遞歸刪除掉這些放棄獲取鎖的節點。2、若狀態位不爲Node.SIGNAL,且沒有取消操作，則會嘗試將狀態位修改爲Node.SIGNAL。3、狀態位是Node.SIGNAL，表明線程是否已經準備好被阻塞並等待喚醒。
       最終，只有在pred.waitStatus已經等於Node.SIGNAL時纔會返回true。其他情況返回false，然後acquireQueued會繼續循環。
       在shouldParkAfterFailedAcquire返回true之後，acquireQueued方法體內繼續執行parkAndCheckInterrupt()：
 


       該方法調用LockSupport.park()方法使線程阻塞。注意，ReentrantLock.lock()獲取鎖阻塞就是在這一步實現。阻塞的線程在其他線程釋放鎖之後會被LockSupport.unpark()喚醒。LockSupport.park(),LockSuppoert.unpark()最終都是調用了UNSAFE的native方法，這裏不做分析。整個ReentrantLock.lock方法就分析到這裏，下面看一下unlock操作。
 

四、非公平鎖unlock源碼分析

ReentrantLock.unlock()方法內部同樣是交給sync的release實現：
 

 
sync.release()方法調用是在父類AQS中， release方法會先調用子類Sync的tryRelease()方法，如下圖所示：
 

 
如下是子類Sync.tryRelease()的源碼：
 

 
       首先獲取state值，並減去releases，這裏releases爲1。若當前線程非獨佔鎖擁有線程，拋出異常。若減去1後state爲0，說明可以喚醒其他線程嘗試獲取鎖，將free設置爲true並返回，設置獨佔鎖擁有者爲null。
       如果不爲0，設置state爲減少後的值並且返回false，這樣的話，就不會有後面喚醒其他線程的操作。所以，需要注意可重入的鎖，在獲取鎖的時候，調用了多少次lock方法，釋放鎖時，就需要調用多少次unlock方法。
       在返回值爲true之後，回到父類的release方法，最終會調用unparkSuccessor()方法：

 
       在unparkSuccessor方法中，會獲取node.next，使變量s = node.next。若s不爲空且狀態位小於0，則滿足喚醒條件，執行LockSupport.unpark()喚醒線程。否則執行for循環遞歸查找到離head最近的一個待喚醒節點喚醒，節點喚醒之後會繼續執行獲取鎖的操作，上面已經做過分析，這裏不做贅述。

 

五、其他

       由於篇幅原因，只討論了非公平鎖的實現，在這裏大概講一下公平鎖的“公平”體現在哪裏，根據上面講到的，非公平鎖獲取鎖有兩個地方：
1、在NonfairSync.lock方法體入口處就直接獲取鎖然後退出方法；
2、加入到鏈表中，每次鏈表頭部的節點被喚醒，接着嘗試獲取鎖。雖然頭部節點被喚醒之後，會嘗試獲取鎖，但可能會有線程在在NonfairSync.lock方法體入口處不進入鏈表就直接取得了鎖。
       而在公平鎖中，如下圖所示，hasQueuedPredecessors會首先判斷鏈表中是否有排隊線程，沒有排隊線程纔會嘗試獲取鎖，否則加入到鏈表排隊。嚴格保證了所有線程都是按照鏈表順序先入先出的獲取鎖。
 



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