AQS系列- ReentrantLock的加锁

Posted 2020-11-24 zzq6032010

前言

    AQS即AbstractQueuedSynchronizer，是JUC包中的一个核心抽象类，JUC包中的绝大多数功能都是直接或间接通过它来实现的。本文是AQS系列的第一篇，后面会持续更新多篇，争取将JUC包中AQS相关的常用功能讲清楚，一方面巩固自己的知识体系，一方面亦可与各位园友互相学习。寒冷的冬天，要用技术来温暖自己。

一、AQS与ReentrantLock的关系

    先奉上一张自制的丑陋类图

 

 

 

     从下往上看，ReentrantLock类内部有两个静态内部类FairSync和NonfairSync，分别代表了公平锁和非公平锁（注意ReentrantLock实现的锁是可重入排它锁）。这两个静态内部类又共同继承了ReentrantLock的一个内部静态抽象类Sync，此抽象类继承AQS。

    类的关系搞清楚了，我们下面一起看一下源码。

二、源码解读

    ReentrantLock的默认构造方法创建的是非公平锁，也可以通过传入true来指定生成公平锁。下面我们以公平锁的加锁过程为例，进行解读源码。在解读源码之前需要先明确一下AQS中的state属性，它是int类型，state=0表示当前lock没有被占用，state=1表示被占用，如果是重入状态，则重入了几次state就是几。

 1 public class JucLockDemo1 {
 2     public static void main(String[] args){
 3         ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
 4         Thread t1 = new Thread(() -> {
 5             lock.lock();
 6             // 业务逻辑
 7             lock.unlock();
 8         });
 9         t1.start();
10         System.out.println("main end");
11     }
12 }

    其中第5行lock方法点进去的代码：

1 public void lock() {
2         sync.lock();
3     }

    直接调了sync的lock方法，sync下面的lock方法是抽象方法，方法逻辑取决于具体的实现类，因为我们这里创建的是公平锁，所以进FairSync看它的lock方法实现：

1 final void lock() {
2             acquire(1);
3         }

    FairSync中的lock方法很简单，直接调用了acquire方法，参数是1，继续跟踪：

1 public final void acquire(int arg) {
2         if (!tryAcquire(arg) &&
3             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
4             selfInterrupt();
5     }

    acquire方法位于AQS中，很重要，虽然只有短短的三行，但是里面的内容非常多。下面对里面的方法分别进行解读。

方法1：tryAcquire(arg)

    此方法在FairSync中进行了实现，代码如下所示：

 1 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 2             final Thread current = Thread.currentThread();
 3             int c = getState();
 4             // 判断state状态，如果是0表示锁空闲，可以去尝试获取
 5             if (c == 0) {
 6                 if (!hasQueuedPredecessors() &&
 7                     compareAndSetState(0, acquires)) {
 8                     setExclusiveOwnerThread(current);
 9                     return true;
10                 }
11             }// exclusiceOwnerThread存放的是当前运行的独占线程，如果此处判断为true，说明是当前线程第二次加锁，可以重入，只是要将state+1
12             else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
13                 int nextc = c + acquires;
14                 if (nextc < 0)
15                     throw new Error("Maximum lock count exceeded");
16                 setState(nextc);
17                 return true;
18             }
19             return false;
20         }

    第二个if判断很好理解，是ReentrantLock对重入和排他的支持（所以说它是可重入排他锁），但是判断c==0之后的逻辑就比较麻烦了。

    首先理解一下当前的逻辑：如果state=0说明lock空闲，又因为是公平锁，所以要先判断当前AQS队列中还有没有排队的任务，如果没有的话，就走一个CAS将state改成1，然后设置排他的执行线程，获取执行权；如果队列中有任务，那么acquire方法只能先返回false了。那么可以推断出，hasQueuedPredecessors方法就是用来判断队列中是否有排队的。

    点进去看看Lea大神的实现逻辑吧。

 1 public final boolean hasQueuedPredecessors() {
 2         // The correctness of this depends on head being initialized
 3         // before tail and on head.next being accurate if the current
 4         // thread is first in queue.
 5         Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
 6         Node h = head;
 7         Node s;
 8         return h != t &&
 9             ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
10     }

    代码不多，但表达的意思比较晦涩。第一个判断h！=t，如果h=t，说明队列是空的，这时这个判断条件是false，方法直接就返回了，这时外面的if取反是true，会继续走CAS抢占state和排他线程，获取锁，这种情况的路就走完了。如果h！=t为true，说明现在队列中有任务，这时进入后面的大括号 ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()) ，在队列中有任务的情况下，还有两种可能，一种是队列中的第一个任务就是当前线程，另一种是第一个任务不是当前线程。因为是公平锁，如果第一个任务时当前线程的话，那么它有权再去申请一下获取锁，如果第一个任务不是当前线程，那么当前线程就乖乖排队吧，等前面的执行完了才能轮到你。后面的大括号就是对这两种情况进行了区分，我们用反向逻辑来分析。方法hasQueuedPredecessors表示如果当前线程可以去竞争锁则返回false，不能竞争锁则返回true后面大括号结果为false的话当前线程才会去抢占锁，一个或运算怎样才能是false？或的两边都是false，就是说要(s = h.next) != null && s.thread == Thread.currentThread()，意思就是队列中第一个任务不为空且第一个任务就是当前线程，而这个&&的非与上述源码中的||在逻辑上是等价的，所以到这里意思就清楚了，return的&&连接的两个条件意思是：判断是否队列不为空且（第一个任务为空或者不是当前线程）。

    hasQueuedPredecessors方法讲完，tryAcquire方法就没有什么难点了，这时我们回到上面开始的acquire(int arg)方法。如果tryAcquire返回的是true，说明获取到了锁，那么就不会再走后面的流程了；如果返回的是false，则进入acquireQueue。但我们先看里面的addWaiter方法。

方法2：  addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

     此方法用于生成当前线程的node节点并把它放在队尾，方法源码：

 1 private Node addWaiter(Node mode) {
 2         Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// 创建当前线程的node节点
 3         // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
 4         Node pred = tail;
 5         if (pred != null) { // 判断队尾是否为空，如果不为空则将node节点拼接在后面
 6             node.prev = pred; // 将node节点连接到队尾节点
 7             if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 通过CAS将node节点放到队尾
 8                 pred.next = node; // 如果CAS操作成功了，那么将原队尾节点的next连接到node节点，组成双向队列
 9                 return node;
10             }
11         }
12         enq(node); // 能到这里的话分两种情况：1、队尾是空的；2、队尾不是空的，但是进行CAS操作时由于被其他线程抢占导致失败；
13         return node;
14     }

通过注解大家应该能梳理清楚逻辑，下面着重说一下enq(node)方法的实现：

 1 private Node enq(final Node node) {
 2         for (;;) {
 3             Node t = tail;
 4             if (t == null) { // Must initialize 队尾是null，符合前面说的第一种情况
 5                 if (compareAndSetHead(new Node())) // 设置队首
 6                     tail = head; // 队首队尾都初始化成空node
 7             } else { // 队尾不为空，是前面说的第二种情况，此种情况的处理逻辑同上面对pred != null的处理
 8                 node.prev = t;
 9                 if (compareAndSetTail(t, node)) {
10                     t.next = node;
11                     return t;
12                 }
13             }
14         }
15     }

    可以看到此方法无限循环，直到执行完else中的逻辑。此处需要注意的一点是，如果刚开始时队列是空的，即tail是null，会触发队首队尾的初始化，初始化之后再一次循环会进入else中，将node放到原队尾的后面，返回t。注意返回的t没有用到，是在其他场景的方法中用的。

 方法3：acquireQueued(final Node node, int arg)

     该方法用于获取锁，返回值表示当前获取到锁的线程在获取锁的过程中是否中断过，下面先看源码：

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
 2         boolean failed = true;
 3         try {
 4             boolean interrupted = false;
 5             for (;;) {
 6                 final Node p = node.predecessor(); // 获取当前节点的前一个节点
 7                 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 如果p==head说明node是第一个任务，那么就可以通过tryAcquire去获取锁
 8                     setHead(node); // 获取锁成功，则将node放到队首位置，并将thread和prev置为null
 9                     p.next = null; // help GC 再将p的next置为null，切断与外界的一切联系
10                     failed = false;
11                     return interrupted;
12                 }// 下面if中的两个方法很重要，着重讲解
13                 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
14                     parkAndCheckInterrupt())
15                     interrupted = true;
16             }
17         } finally {
18             if (failed)
19                 cancelAcquire(node);
20         }
21     }

    通过注解，相信对第一个if中的逻辑能理解清楚，下我们着重讲解第二个if中的两个方法。

    第一个是 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 方法，此方法的逻辑为：

 1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
 2         int ws = pred.waitStatus; // 1、对于新建的Node节点，此状态都为0（只有addConditionWaiter新建node节点时才不是0）
 3         if (ws == Node.SIGNAL)
 4             // 3、在2中将ws置为-1后，该方法返回false，外层for循环再走一圈，第二次进入此方法时会进入这里，直接返回true。 -1的状态表示可以将当前线程park
 5             return true;
 6         if (ws > 0) {
 7 
 8             do {
 9                 node.prev = pred = pred.prev;
10             } while (pred.waitStatus > 0);
11             pred.next = node;
12         } else {
13             // 2、是ws=0的话会进入这里，将ws置为-1，0的状态表示还不能park
14             compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
15         }
16         return false;
17     }

    如果返回的是true，则进入第二个方法将当前线程暂停：

1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
2         LockSupport.park(this);
3         return Thread.interrupted();
4     }

    当前面的线程执行完毕，唤醒这个线程的时候，就会从第三行开始继续执行for循环中获取锁的逻辑，直到获取锁。

 

    到这里，ReentrantLock的lock方法便结束了，整体流程就是这样。看JUC包中的源码，可以看到写的很简洁，有时一两个简单的判断条件却代表了非常多的意思，充分显示了编程者缜密又举重若轻的实力，读这样的源码，有一种看本格推理小说般的思维上的愉悦感。

    下一节我们将介绍unlock方法的原理，与本节最后一个方法就能接上了，下期再会！