锁机制学习笔记
目录：
JUC的并发包功能强大，但也不容易理解，大神果然是用来膜拜的。经过一段时间的研究和理解，我把自己所了解的关于JUC中锁的相关知识整理下来，一方面给自己做个备忘，另一方面也给各位朋友做个参考。
文中源码的关键部分都做了注释，希望对大家有所帮助。另外这只是学习笔记，建议大家先去了解一些基础知识再来看其中的源码，大家有疑问的可以再参考其他文章，谢谢！
CAS的意义
CAS只是尝试性操作，可能一个线程在对比的时候，另一个线程已更改了状态，所以CAS操作可能失败。
for (;;){
if (CAS(obj,expect,update)){
do other business
}
}
CAS(obj,expect,update) 必有一个期望对象expect，一个更新对象update，expect在多线程情况下同一时间只会有一个线程能匹配，且整个CAS方法中，other business都不是共享变量，因为他们对并发无影响。
CAS经常放在循环中，在多线程情况下，就是哪个线程先匹配到expect就执行，其他线程可在下次循环中再匹配到。
锁的一些基本原理
锁其实是个独占资源，其中的state代表的就是独占资源，获取锁就是线程对state数值的增加，释放锁就是state减少的过程
1.加锁的意义在于多线程获取同一个锁，这样每个线程就会按照获取锁的顺序执行。
2.在线程内创建的对象，是每个线程独立的，因为对它的操作无需加锁，而对共享变量的操作，就必须加锁或者CAS，如果CAS失败，则代表此次操作尝试失败，需考虑后续操作
3.尽量在线程外的其他类对共享变量进行锁定（即尽量实现线程安全的类），而不要把锁带到线程内去操作锁定，因为这样会增加代码复杂性
ReentrantLock的相关代码结构
两个重要的状态
I.AQS的state（int类型，32位）
用来描述有多少线程获持有锁。
在独占锁的时代这个值通常是0或者1
对于可重入锁，一个线程可多次进入，每次进入state+1
在共享锁的时代就是持有锁的数量。
tryAcquire()和tryRelease()其实就是尝试获取状态位state的修改权限并设置独占Thread
II.Node的waitStatus
对队列中节点的操作(锁定线程或释放线程)则是基于节点的waitStatus的
CANCELLED = 1：
节点操作因为超时或者对应的线程被interrupt。节点不应该不留在此状态，一旦达到此状态将从CHL队列中踢出。
SIGNAL =
-1：
节点的继任节点是（或者将要成为）BLOCKED状态（例如通过LockSupport.park()操作），因此一个节点一旦被释放（解锁）或者取消就需要唤醒（LockSupport.unpack()）它的继任节点。
CONDITION = -2：
表明节点对应的线程因为不满足一个条件（Condition）而被阻塞。
正常状态 =
0：
新生的非CONDITION节点都是此状态。
对于处在阻塞队列中的节点，当前节点之前的节点：
waitStatus >
0的是取消的节点，在处理中应该剔除
waitStatus = 0的，则需要将其改成-1
因此整个阻塞节点链的waitStatus应该为：-1,-1,-1,0
获取锁(AQS)的流程
锁的获取和释放都是基于上述2个状态来的，首先能不能获取锁是由AQS.state来控制，因此tryAcquire()和tryRelease()都是对state的控制，如果不能获取锁则需要加入到等待队列，此时线程的等待与释放则是由Node的waitStatus控制的。
下图演示了一个线程获取独占锁的过程：
I.获取锁总操作
Java Code
|
1
2 3 4 |
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } |
整个过程可分为以下四个步骤(只有tryAcquire是在Sync，其他3个都是在AQS中)：
1.
tryAcquire(arg)：
如果tryAcquire(arg)成功，那就没有问题，已经拿到锁，整个lock()过程就结束了。如果失败进行操作2。
2. addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：
2. addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：
创建一个独占节点（Node）并且此节点加入CHL队列末尾。进行操作3。
3. acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)：
3. acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)：
自旋尝试获取锁，失败根据前一个节点来决定是否挂起（park()），直到成功获取到锁。进行操作4。
4. selfInterrupt()：
4. selfInterrupt()：
如果当前线程已经中断过，那么就中断当前线程（清除中断位）。
II.tryAcquire(尝试获取锁)
Java Code
|
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 |
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { // 0，代表当前锁无其他线程持有 if (isFirst(current) && compareAndSetState(0, acquires)) { // isFirst是公平锁和非公平锁在tryAcquire的唯一区别 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 非0，代表有线程持有锁，判断持有者是否为当前线程 // 这里修改为旧值+1呢？这是因为ReentrantLock是可重入锁，同一个线程每持有一次就+1 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } |
非公平锁与公平锁在tryAcquire()方法上唯一区别就是比公平锁少了
isFirst(current)，它的作用就是判断AQS是否为空或者当前线程是否在队列头
III.添加到等待队列
AQS的节点结构：
上图的head，tail，prev，next这几个属性构造了一条节点链
Java Code 将节点加入到队列中
|
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 |
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 这一段是为提高性能而设的，没有也不影响功能 // 如果tail不为空，则设置新tail并返回 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); // 如果tail为空，则执行enq()，创建新head，插入队列，否则逻辑和上面一样 return node; } |
enq(Node)去队列操作实现了CHL队列的算法，如果为空就创建头结点，然后同时比较节点尾部是否是改变来决定CAS操作是否成功，当且仅当成功后才将尾部节点的下一个节点指向为新节点。可以看到这里仍然是CAS操作。
Java
Code
|
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 |
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // tail == null,创建新的节点加入到尾部 Node h = new Node(); // dummy header,傀儡节点 h.next = node; node.prev = h; if (compareAndSetHead(h)) { // CAS设置头部 tail = node; return h; } } else { // tail != null，则和addWaiter()中那段一样 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } } |
IIII.自旋请求锁
如果可能的话挂起线程，直到得到锁，返回当前线程是否中断过（如果park()过并且中断过的话有一个interrupted中断位）。
Java
Code
|
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 |
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
try { boolean interrupted = false; // 循环操作 for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // 如果第一个节点是Dummy Header也就是傀儡节点，那么第二个节点实际上就是头结点了,此时则尝试获取锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC return interrupted; } // acquire失败，判断是否应该park，并检查线程是否interrupt if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } catch (RuntimeException ex) { cancelAcquire(node); throw ex; } } // CANCELLED = 1 // SIGNAL = -1 // CONDITION = -2 // NORMAL = 0 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { // 前一个节点的状态(注意：不是当前节点) int ws = pred.waitStatus; if (ws < 0) // waitStatus<0，也就是前面的节点还没有获得到锁，那么返回true，表示当前节点（线程）就应该park()了。 return true; if (ws > 0) { // waitStatus>0，也就是前一个节点被CANCELLED了，那么就将前一个节点去掉，递归此操作直到所有前一个节点的waitStatus<=0，进行4 do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { // waitStatus=0，修改前一个节点状态位为SINGAL，表示后面有节点等待你处理，需要根据它的等待状态来决定是否该park() compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } // ws<0才需要park()，ws>=0都返回false，表示线程不应该park() return false; } |
IIIII.释放锁
release()设置state=state-1，如果state=0，则无其他线程持有锁，可unpark节点链的head节点的后续线程（因为head节点是在节点链的傀儡节点），否则不做操作。
同时unparkSuccessor()会先把前置节点的waitStatus设为0，然后再unpark线程
因为state=0，则acquireQueued()的tryAcquire()能成功，即此线程能获取到锁退出
注意：
unpark是按照节点链的顺序一次unpark一个线程
Java
Code
|
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 |
public final boolean release(int arg) {
// tryRelease 成功 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) // unpark节点链的head后续节点的线程 unparkSuccessor(h); return true; } return false; } protected final boolean tryRelease(int releases) { // state-1 int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // state-1 == 0，则说明此时没有其他线程持有锁，release成功，unpark节点链的head节点的后续线程 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } // 设置新state setState(c); return free; } private void unparkSuccessor(Node node) { // 此时node是需要释放锁的头节点 // 清空头结点的waitStatus，也就是不需要锁了，这里修改成功失败无所谓 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 从头结点的下一个节点开始寻找继任节点，当且仅当继任节点的waitStatus<=0才是有效继任节点，否则将这些waitStatus>0（也就是CANCELLED的节点）从AQS队列中剔除 Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { 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); } |
原创文章，请注明引用来源：CM4J
参考文章：http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/05/325274.html