AbstractQueuedSynchronizer理解之一（ReentrantLock）

Doug Lea是JDK中concurrent工具包的做者，这位大神是谁能够自行google。

本文浅析ReentrantLock（可重入锁）的原理

Lock接口

Lock接口定义了这几个方法：

• lock()
  用来获取锁，若是锁已经被其余线程占有，则进行等待，直到抢占到锁；该方法在发送异常时不会自动释放锁，因此在使用时须要在finall块中释放锁；
• tryLock()和tryLock(long time, TimeUnit unit)
  尝试得到锁，若是锁已经被其余线程占有，返回false，成功获取锁返回true；该方法不会等待，当即返回；而带有参数的tryLock在等待时长内拿到锁返回true，超时或者没拿到锁返回false；带参数的方法还支持响应中断；
• lockInterruptibly()
  支持中断的lock()；
• unlock()
  释放锁；
• newCondition()
  新建Condition，Condition之后会分析；

ReentrantLock可重入锁

ReentrantLock实现了Lock接口，ReentrantLock中有一个重要的成员变量，同步器sync继承了AbstractQueuedSynchronizer简称AQS，咱们先介绍AQS；

AQS用一个队列（结构是一个FIFO队列）来管理同步状态，当线程获取同步状态失败时，会将当前线程包装成一个Node放入队列，当前线程进入阻塞状态；当同步状态释放时，会从队列去出线程获取同步状态。

AQS里定义了head、tail、state，他们都是volatile修饰的，head指向队列的第一个元素，tail指向队列的最后一个元素，state表示了同步状态，这个状态很是重要，在ReentrantLock中，state为0的时候表明锁被释放，state为1时表明锁已经被占用；

看下面代码：

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;

static {
    try {
        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
        headOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
        tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
        waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
        nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("next"));

    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

这一段静态初始化代码初始了state、head、tail等变量的在内存中的偏移量；Unsafe类是sun.misc下的类，不属于java标准。Unsafe让java能够像C语言同样操做内存指针，其中就提供了CAS的一些原子操做和park、unpark对线程挂起与恢复的操做；关于CAS是concurrent工具包的基础，之后会单独介绍，其主要做用就是在硬件级别提供了compareAndSwap的功能，从而实现了比较和交换的原子性操做。

AQS还有一个内部类叫Node，它将线程封装，利用prev和next能够将Node串连成双向链表，这就是一开始说的FIFO的结构；

ReentrantLock提供了公平锁和非公平锁，咱们这里从非公平锁分析AQS的应用；
Lock调用lock()方法时调用了AQS的lock()方法，咱们来看这个非公平锁NonfairSync的lock方法：

final void lock() {
    //首先调用CAS抢占同步状态state，若是成功则将当前线程设置为同步器的独占线程，
    //这也是非公平的体现，由于新来的线程没有立刻加入队列尾部，而是先尝试抢占同步状态。
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        //抢占同步状态失败，调用AQS的acquire
        acquire(1);
}

瞄一眼acquire方法：

public final void acquire(int arg) {
    //在这里仍是先试着抢占一下同步状态
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

tryAcquire调用的是NonfairSync的实现，而后又调用了Sync的nonfairTryAcquire方法：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //和以前同样，利用CAS抢占同步状态，成功则设置当前线程为独占线程而且返回true
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //若是当前线程已是独占线程，即当前线程已经得到了同步状态则将同步状态state加1，
    //这里是可重入锁的体现
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    //没有抢占到同步状态返回false
    return false;
}

再看addWaiter方法：

private Node addWaiter(Node mode) {
    //新建一个Node，封装了当前线程和模式，这里传入的是独占模式Node.EXCLUSIVE
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    //若是tail不为空就不须要初始化node队列了
    if (pred != null) {
        //将node做为队列最后一个元素入列
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            //返回新建的node
            return node;
        }
    }
    //若是tail为空则表示node队列尚未初始化，此时初始化队列
    enq(node);
    return node;
}

瞄一眼enq方法：

private Node enq(final Node node) {
    //无限loop直到CAS成功，其余地方也大量使用了无限loop
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            //队列尾部为空，必须初始化，head初始化为一个空node，不包含线程，tail = head
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            //队列已经初始化，将当前node加在列尾
            node.prev = t;
            //将当前node设置为tail，CAS操做，enqueue安全
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

拿到新建的node后传给acquireQueued方法：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        //标记是否中断状态
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //拿到当前node的前驱
            final Node p = node.predecessor();
            //若是前驱正好为head，即当前线程在列首，立刻tryAcquire抢占同步状态
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //抢占成功后，将当前节点的thread、prev清空做为head
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC 原来的head等待GC回收
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //没有抢占成功后，判断是否要park
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

瞄一眼shouldParkAfterFailedAcquire方法：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        //若是前驱node的状态为SIGNAL，说明当前node能够park
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        //若是前驱的状态大于0说明前驱node的thread已经被取消
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            //从前驱node开始，将取消的node移出队列
            //当前节点以前的节点不会变化，因此这里能够更新prev，并且没必要用CAS来更新。
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        //前驱node状态等于0或者为PROPAGATE（之后会介绍）
        //将前驱node状态设置为SIGNAL，返回false，表示当前node暂不须要park，
        //能够再尝试一下抢占同步状态
        /*
         * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
         * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
         * retry to make sure it cannot acquire before parking.
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

看一下parkAndCheckInterrupt方法：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    //阻塞当前线程
    LockSupport.park(this);
    //返回当前线程是否设置中断标志，并清空中断标志
    return Thread.interrupted();
}

这里解释一下为何要保存一下中断标志：中断会唤醒被park的阻塞线程，但被park的阻塞线程不会响应中断，因此这里保存一下中断状态并返回，若是状态为true说明发生过中断，会补发一次中断，即调用interrupt()方法

在acquireQueued中发生异常时执行cancelAcquire：

private void cancelAcquire(Node node) {
    // Ignore if node doesn't exist
    if (node == null)
        return;
    //清空node的线程
    node.thread = null;

    // Skip cancelled predecessors
    //移除被取消的前继node，这里只移动了node的prev，没有改变next
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
    // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
    // or signal, so no further action is necessary.
    //获取前继node的后继node
    Node predNext = pred.next;

    // Can use unconditional write instead of CAS here.
    // After this atomic step, other Nodes can skip past us.
    // Before, we are free of interference from other threads.
    //设置当前node等待状态为取消，其余线程检测到取消状态会移除它们
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // If we are the tail, remove ourselves.
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        //若是当前node为tail，将前驱node设置为tail（CAS）
        //设置前驱node（即如今的tail）的后继为null（CAS）
        //此时，若是中间有取消的node，将没有引用指向它，将被GC回收
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // If successor needs signal, try to set pred's next-link
        // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
        int ws;
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            //若是当前node既不是head也不是tail，设置前继node的后继为当前node后继
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            //唤醒当前node后继
            unparkSuccessor(node);
        }
        //当前node的next设置为本身
        //注意如今当前node的后继的prev还指向当前node，因此当前node还未被删除，prev是在移除取消节点时更新的
        //这里就是为何在前面要从后往前找可换新的node缘由了，next会致使死循环
        node.next = node; // help GC
    }
}

画图描述解析一下cancelAcquire:

首先看如何跳过取消的前驱

这时，前驱被取消的node并无被移出队列，前驱的前驱的next还指向前驱；

若是当前node是tail的状况：

这时，没有任何引用指向当前node；

若是当前node既不是tail也不是head：

这时，当前node的前驱的next指向当前node的后继，当前node的next指向本身，pre都没有更新；

若是当前node是head的后继：

这时，只是简单的将当前node的next指向本身；

到这里，当线程抢占同步状态的时候，会进入FIFO队列等待同步状态被释放。在unlock()方法中调用了同步器的release方法；看一下release方法：

public final boolean release(int arg) {
    //判断是否释放同步状态成功
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            //若是head不为null，且head的等待状态不为0，
            //唤醒后继node的线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

再来看一下tryRelease方法（在Sync类中实现）：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        //当前thread不是独占模式的那个线程，抛出异常
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            //若是同步状态state为0，释放成功，将独占线程设置为null
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        //更新同步状态state
        setState(c);
        return free;
    }

继续看unparkSuccessor（唤醒后继node的tread）方法：

private void unparkSuccessor(Node node) {
    /*
     * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
     * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
     * fails or if status is changed by waiting thread.
     */
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        //head的等待状态为负数，设置head的等待状态为0
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    /*
     * Thread to unpark is held in successor, which is normally
     * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
     * traverse backwards from tail to find the actual
     * non-cancelled successor.
     */
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        //若是head的后继node不存在或者后继node等待状态大于0（即取消）
        //从尾部往当前node迭代找到等待状态为负数的node，unpark
        //由于会有取消的节点
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

总结

介绍完ReentrantLock后，咱们大致了解了AQS的工做原理。AQS主要就是使用了同步状态和队列实现了锁的功能。有了CAS这个基础，AQS才能发挥做用，使得在enqueue、dequeque、节点取消和异常时可以保证队列在多线程下的完整性。