AQS之ReentrantLock源码分析

1. LockSupport 类

2. 如何设计一把独占锁？

3. 管程 — Java同步的设计思想

3.1 MESA模型

为什么条件队列的线程需要移到同步队列再唤醒运行？

4. AQS原理分析

4.1 什么是AQS

4.2 AQS核心结构

AQS内部维护属性volatile int state

4.3 AQS定义两种队列

同步等待队列

条件等待队列

5. ReentrantLock源码分析

源码阅读过程中要关注的问题

ReentrantLock源码分析

1. LockSupport 类

LockSupport 类是 Java 并发包提供的工具类，用于线程的阻塞和唤醒。它通过许可证（permit）的方式来控制线程的阻塞和唤醒，每个线程都有一个许可证。park() 方法用于消耗许可证，如果线程有可用的许可证，则消耗许可证后立即返回，否则线程进入阻塞状态。unpark(Thread thread) 方法用于释放许可证，唤醒指定线程。每个线程最多只能有一个许可证，重复调用 unpark() 方法不会增加许可证的数量。

当调用LockSupport.park时，表示当前线程将会阻塞，直至获得许可，当调用LockSupport.unpark时，必须把等待获得许可的线程作为参数进行传递，用于唤醒此线程。

public class ParkAndUnparkDemo {public static void main(String[] args) {ParkAndUnparkThread myThread = new ParkAndUnparkThread(Thread.currentThread());myThread.start();System.out.println("before park");// 获取许可LockSupport.park();System.out.println("after park");}
}class ParkAndUnparkThread extends Thread {private Object object;public ParkAndUnparkThread(Object object) {this.object = object;}public void run() {try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("before unpark");// 释放许可LockSupport.unpark((Thread) object);System.out.println("after unpark");}
}//运行结果
before park
before unpark
after unpark
after park

2. 如何设计一把独占锁？

设置状态state：是否加锁（用0，1表示），可以使用CAS实现多线程加锁
加锁操作：加锁操作是获取锁的过程，需要确保在多线程环境下只有一个线程能够成功获取锁。加锁操作通常使用原子性的操作，如 CAS（Compare-and-Swap），来更新锁的状态。
解锁操作：解锁操作是释放锁的过程，需要将锁的状态设置为未获取状态，以便其他线程可以获取锁。解锁操作也要确保在多线程环境下保持线程安全。
支持可重入：可重入是指允许同一个线程多次获取同一把锁而不会被阻塞。设计独占锁时，可以添加一个计数器来记录当前线程已获取锁的次数，在解锁时递减计数器，直到计数器为零时才真正释放锁。
线程阻塞：当锁已被其他线程获取时，需要使当前线程进入阻塞状态，等待锁的释放。可以使用等待/通知机制或者使用 Java 提供的锁同步器（如AbstractQueuedSynchronizer）来实现线程的阻塞和唤醒。
等待队列：竞争锁失败的线程数据 Node(Thread) 队列
等待唤醒某个线程：可以使用LockSupport.park/unpark

共性的逻辑：定义个抽象类
入口等待队列和条件等待队列入队出队操作
修改cas的操作

等待唤醒机制：
synchronizd + object.wait()/object.notify()/object.notifyAll
ReentrantLock + condition.await()/conditon.signal/signalAll

/*
*类说明：自定义独占锁
*/
public class BubbleLock extends AbstractQueuedSynchronizer{@Overrideprotected boolean tryAcquire(int unused) {// CAS 加锁，将 state 从 0 设置为 1if (compareAndSetState(0, 1)) {// 设置当前线程为独占锁的拥有者线程setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());return true; // 成功获取锁，返回 true}return false; // 获取锁失败，返回 false}@Overrideprotected boolean tryRelease(int unused) {// 释放锁，将独占锁的拥有者线程设置为 null，并将 state 设置为 0 表示锁已释放setExclusiveOwnerThread(null);setState(0);return true; // 成功释放锁，返回 true}// 加锁操作，调用 acquire(1) 方法实际获取锁public void lock() {acquire(1);//只允许一个线程获取锁，这次是自定义独占锁}// 尝试加锁操作，调用 tryAcquire(1) 方法尝试获取锁public boolean tryLock() {return tryAcquire(1);}// 释放锁操作，调用 release(1) 方法实际释放锁public void unlock() {release(1);}// 检查当前锁是否被线程持有public boolean isLocked() {return isHeldExclusively();}
}

public class SyncDemo {private static int counter = 0;private final static BubbleLock lock = new BubbleLock();public static void increment() {lock.lock();try {counter++;}finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {increment();}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {increment();}}, "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(counter);}
}//运行结果
10000

3. 管程 — Java同步的设计思想

管程：指的是管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让他们支持并发。

互斥：同一时刻只允许一个线程访问共享资源。

同步：线程之间如何通信、协作。

3.1 MESA模型

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。

管程中引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题。

为什么条件队列的线程需要移到同步队列再唤醒运行？

通常情况下，条件队列是用于保存等待条件满足的线程的队列，并不直接用于唤醒和执行线程。

为了共用一套唤醒逻辑，提高代码复用。
避免竞争条件：如果直接从条件队列唤醒线程，多个线程可能会同时被唤醒并竞争执行。这可能导致竞争条件和数据不一致的问题。确保条件满足：条件队列是用于保存等待某个条件满足的线程，直接唤醒线程可能会导致条件不满足的情况下线程继续执行。

4. AQS原理分析

4.1 什么是AQS

java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer（简称 AQS）实现的，AQS是一个抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的同步器。 JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS框架来实现的

一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法

AQS具备的特性：

阻塞等待队列
共享/独占
公平/非公平
可重入
允许中断

4.2 AQS核心结构

AQS内部维护属性volatile int state

state表示资源的可用状态

State三种访问方式：

getState()
setState()
compareAndSetState()

定义了两种资源访问方式：

Exclusive-独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share-共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch

AQS实现时主要实现以下几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

4.3 AQS定义两种队列

同步等待队列： 主要用于维护获取锁失败时入队的线程。

条件等待队列： 调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁。

AQS 定义了5个队列中节点状态：

值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；
SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark；
CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；
PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；

同步等待队列

AQS当中的同步等待队列也称CLH队列，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先进先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。

AQS 依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理：

当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程
当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。
通过signal或signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列。（由条件队列转化为同步队列）

条件等待队列

AQS中条件队列是使用单向列表保存的，用nextWaiter来连接:

调用await方法阻塞线程；
当前线程存在于同步队列的头结点，调用await方法进行阻塞（从同步队列转化到条件队列）

5. ReentrantLock源码分析

ReentrantLock是一种基于AQS框架的应用实现，是JDK中的一种线程并发访问的同步手段，它的功能类似于synchronized是一种互斥锁，可以保证线程安全。

ReentrantLock基本使用方式：


public class ReentrantLockTest {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// ...public void doSomething() {lock.lock();  // block until condition holdstry {// ... method body} finally {lock.unlock();}}
}

源码阅读过程中要关注的问题

1.公平和非公平锁，可重入锁是如何实现的

2.设计的精髓：并发场景下入队和出队操作是如何设计的

线程竞争锁失败入队阻塞逻辑实现
释放锁的线程唤醒阻塞线程出队竞争锁的逻辑实现

ReentrantLock源码分析

下面以模拟抢票作为例子进行分析

/*
*类说明：模拟抢票场景
*/
public class ReentrantLockDemo {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//默认非公平private static int tickets = 8; // 总票数public void buyTicket() {lock.lock(); // 获取锁try {if (tickets > 0) { // 还有票    读try {Thread.sleep(10); // 休眠10ms} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "购买了第" + tickets-- + "张票"); //写//buyTicket();//共享锁} else {System.out.println("票已经卖完了，" + Thread.currentThread().getName() + "抢票失败");}} finally {lock.unlock(); // 释放锁}}public static void main(String[] args) {ReentrantLockDemo ticketSystem = new ReentrantLockDemo();for (int i = 1; i <= 10; i++) {Thread thread = new Thread(() -> {ticketSystem.buyTicket(); // 抢票}, "线程" + i);// 启动线程thread.start();}try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("剩余票数：" + tickets);}
}//运行结果
线程1购买了第8张票
线程2购买了第7张票
线程3购买了第6张票
线程8购买了第5张票
线程5购买了第4张票
线程6购买了第3张票
线程7购买了第2张票
线程4购买了第1张票
票已经卖完了，线程9抢票失败
票已经卖完了，线程10抢票失败
剩余票数：0