AQS-ReentrantLock实现原理

    AbstractQueuedSynchronizer （AQS）类如其名，抽象的队列式同步容器，AQS定义类一套多线程访问共享资源的同步器，许多同步类的实现都依赖于它，比如之前学习的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch。

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1.AQS

AQS阻塞队列.png
1。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取于释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等)，AQS已经在顶层实现好了，自定义同步容器实现时主要实现以下几种方法：
2.isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源，只有用到condition才需要取实现它。
3.tryAcquire(int):独占方式，尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
4.tryRelease(int):独占方式，尝试释放资源，成功则返回true,失败则返回false。
5.tryAcquireShared(int):共享方式，尝试获取资源，附属表示获取失败，0表示获取成功，但是没有剩余资源可用，其他线程不能在获取，正数表示获取成功，并且有剩余资源，也就是自己可以重复获取(可重入)。
6.tryReleaseShare(int):共享方式。尝试释放资源，成功返回true，失败返回false。
7.以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()的时候，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后其他线程在tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后表示其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（几锁释放）为止，其他线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

2. ReentrantLock原理分析

2.1 Reentrantlock类结构

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable

可以看出Reentrantlock 实现类lock接口，首先看下这个lock接口。

public interface Lock {
    //普通的获取锁的方法，lock会阻塞直到成功
    void lock();

    //与lock不同的时，它可以相应中断，
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    //尝试获取锁，立即返回，不阻塞，成功返回true，失败返回false
    boolean tryLock();

    //先尝试获取锁，如果成功则返回true，失败则阻塞等待，等待时间由参数决定，在等待的同时相应中断，抛出中断异常，如果在等待的过程中获得类锁则返回true，否则直到时间超时，则返回false。
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

//普通释放锁的方法    
void unlock();

//新建一个条件，lock可以关联多个条件，关于条件在以后篇幅中记录
    Condition newCondition();
}

    可以看出，显示锁，与synchronied相比，支持非阻塞的方式获取锁，可以响应中断，可以限时，这使得它非常的灵活。
     现在回到Reentrantlock类，可以看到其内部基本上定义类三个内部类：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {

    private final Sync sync;

     .....

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        ...
}

static final class NonfairSync extends Sync {
....
}

....

static final class FairSync extends Sync {
.....
}
.....
}

      很显然从上面的类结构，我们可以得出jdk利用CAS算法和AQS实现类ReentrantLock。

2.2. 构造函数分析

    /**
     * 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出于性能考虑，默认采用非公平锁。

2.3. 获取锁
2.3.1. 非公平模式下的加锁

  /**
     * Sync object for non-fair locks
     */
    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() {
                    //直接通过CAS算法，通过改变共享资源-state值，成功则设置当前线程为持有锁的线程（独占），失败则调用顶层AQS的acquire方法，再次尝试，失败则将线程放到阻塞队列
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
                ...
    }

2.3.2. 公平模式下的加锁

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

        //获取锁
        final void lock() {
            acquire(1); //在这里调用的时AQS顶层方法，获取失败则将线程放到阻塞队列末尾
        }

        /**
         * 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();
                        //当前资源还没有被其他线程锁定
            if (c == 0) {
                        //没有其他线程正在竞争当前的临界资源，并且通过CAS加锁成功，则设置当前的线程为独占此资源的线程
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
                        //如果此时临界资源已经被锁定，则先判断持有者是否时当前线程
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                            //如果是持有者，则可重复获取锁，同时更新状态值，注意加几次锁就要释放几次，直到为0
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

2.3.3、acquireInterruptibly解析

    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        //调用AQS顶层方法
        sync.acquireInterruptibly(1);  
    }

        //AQS顶层方法
    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

        //中断响应
    private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

        大致过程如下：
        (1)如果线程已经中断则直接抛出异常
        (2)如果线程还没中断，则通过自旋方式，申请锁直至到当前线程获得锁，或失败，然后响应中断。

2.4 释放锁

        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;
        }

其释放独占锁的过程大致如下：
(1)先获取当前资源状态，减去释放release，一般是1；
(2)判断当前线程是否锁定资源的线程，如果不是则抛出异常；
(3)假如资源状态值为0，则说明锁已经释放，将独占线程至空，更新状态值，返回设置成功或失败