并发编程原理与实战（三十三）AQS框架下手写简易可重入锁的实战解析

上一篇文章我们学习了AQS的核心规范，通过官方提供的使用示例，实现一把锁似乎变得更简单了，下面我们就来手搓一把锁，基于AQS用代码来实现自己的一把自定义锁。通过这个过程，加深对AQS的理解，以及对锁的进一步理解。

自定义锁需求分析

首先，我们先来分析一把锁有哪些特性？实现一把锁需要做哪些工作？理清这些再结合AQS提供基础框架提供的能力去实现。以ReentrantLock为例，一把锁通常具有以下核心特性：

（1）可重入性。同一线程可多次获取同一把锁而不会死锁，每次获取锁时持有计数递增，释放时递减直至完全解锁。

（2）公平性控制。支持公平锁与非公平锁两种模式。非公平锁（默认）即允许线程插队获取锁，吞吐量较高但可能导致线程饥饿；公平锁即按请求顺序分配锁，保证先到先得但性能较低。

（3）可中断与超时机制。支持在等待锁时响应中断请求。

（4）条件变量支持。可创建多个Condition对象，实现精细化的线程等待/唤醒控制。

特性搞清楚了，那么锁要对外提供哪些能力？根据前面我们学过的锁相关知识，我们已经知道java.util.concurrent.locks.Lock接口已经帮我们抽象好了一把锁的基础能力，也就是lock、tryLock、unlock、newCondition等能力，所以我们的自定义锁需要实现Lock接口。

还有一些关键的问题，用什么表示锁状态？用什么实现线程排队？用什么实现线程阻塞唤醒？刚好AQS给我们提供了实现这些功能的基础框架：

（1）AQS内部通过 volatile int state 字段表示同步状态；0表示空闲，1表示被占用。通过CAS操作保证同步状态修改的原子性，这是锁实现的基础。对于可重入锁，state需要记录重入次数，每次重入时state递增。

（2）AQS内部维护CLH变体的FIFO双向队列，之所以称为CLH变体，是因为源自Craig、Landin和Hagersten提出的自旋锁队列，原始CLH为单向链表，而AQS将其改造为‌双向链表结构‌。每个节点（Node）包含等待线程引用（waiter）、状态标志（status）及前驱节点（prev）和后继节点（next）引用，支持高效插入与删除操作‌，状态字段用于控制线程阻塞与唤醒逻辑。将未获取锁的线程封装为Node节点入队，实现线程唤醒机制公平锁需严格按队列顺序获取锁，非公平锁允许插队竞争。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
   
   
    ...
    /** CLH Nodes */
    abstract static class Node {
   
   
        volatile Node prev;       // 初始时通过casTail操作附加到前驱节点
        volatile Node next;       // 当可被信号通知时，该值明显不为null
        Thread waiter;            // 当节点入队时，该值明显不为null
        volatile int status;      // 由持有者线程写入，其他线程通过原子位操作修改
        ...
    }        
     /**
     * 同步状态
     */
    private volatile int state;
    ...
}        

好了，下面开始进入代码实现环节。

自定义锁代码实现

实现Lock接口

第一步，创建自定义锁类，实现Lock接口。

public class MyReentrantLock implements Lock {
   
   
    @Override
    public void lock() {
   
   

    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
   
   

    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
   
   
        return false;
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
   
   
        return false;
    }

    @Override
    public void unlock() {
   
   

    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
   
   
        return null;
    }
}

Lock接口的这几个方法之前已经学过，在此不再详述。

创建AQS子类并实现相关方法

第二步，根据AQS规范，就是自定义锁类内部创建AbstractQueuedSynchronizer的子类并实现tryAcquire/tryRelease/tryAcquireShared/tryReleaseShared/isHeldExclusively等方法。我们将这个子类称做同步器。

public class MyReentrantLock implements Lock {
   
   
    //同步器
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
   
   
        protected Sync() {
   
   
            super();
        }

        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
   
   
            return super.tryAcquire(arg);
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
   
   
            return super.tryRelease(arg);
        }

        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {
   
   
            return super.tryAcquireShared(arg);
        }

        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
   
   
            return super.tryReleaseShared(arg);
        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
   
   
            return super.isHeldExclusively();
        }
    }

    @Override
    public void lock()</