深入理解AQS和ReentrantLock

瑜伽娃娃

已于 2023-10-09 15:55:12 修改

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分类专栏： JAVA并发编程文章标签： java 开发语言

于 2023-10-08 22:43:31 首次发布

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2.3.1 AQS内部维护属性volatile int state

3. AQS的实现之 ReentrantLock 详解

3.1 ReentrantLock基本使用

3.2 ReentrantLock的主要源码解读

3.2.1 创建锁 new ReentrantLock()

3.2.2 获取锁：lock()

3.2.3 unlock()

1. 管程

1.1 什么是管程

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。

1.2 管程模型-MESA

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。

2. AQS

2.1 什么是AQS

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。

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。

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

以ReentrantLock为例：下图是ReentrantLock内部类Sync的继承关系

2.2 AQS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

2.3 AQS核心结构

2.3.1 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()

2.3.2 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（可参考常用并发工具类的使用及应用场景详解-优快云博客中的Semaphore和CountDownLatch进行理解）

2.3.3 AQS实现时主要实现的方法

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。

2.4 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：

        1. 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。

        2. CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；

        3. 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；

        4. CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；

        5. PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；

2.4.1 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）

2.4.2 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）

3. AQS的实现之 ReentrantLock 详解

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。

3.1 ReentrantLock基本使用

   public class ReentrantLockTest { 
            private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
            // ... 34
            public void doSomething() { 
                lock.lock(); // block until condition holds 6
                try { 
                    // ... method body 8
                } finally { 
                    lock.unlock(); 1
                } 
            } 
        }

3.2 ReentrantLock的主要源码解读

AQS的特性有阻塞等待队列、共享/独占、公平/非公平、可重入、允许中断，那么我们解读ReentrantLock时着重看一下这几个特性在ReentrantLock中是如何实现的。

3.2.1 创建锁 new ReentrantLock()

ReentrantLock的锁可以是公平锁也可以是非公平锁

从下图中ReentrantLock的构造方法可知，创建锁有两种：

ReentrantLock() 非公平锁
ReentrantLock(boolean fair) 公平锁

3.2.2 获取锁：lock()

非公平锁

如上述，如果ReentrantLock创建的是非公平锁，则实际创建的是他的内部类NonfairSync对象，则lock()调用的则是NonfairSync的lock()方法

compareAndSetState（）返回true,执行setExclusiveOwnerThread（），其源码注释说明，CAS成功后，当前线程获取了独占锁。

compareAndSetState（）返回false, 则进入acquire(1); 该方法则是获取锁的一些相关操作。

我们看以下tryAcquire这个方法，当前要获锁线程和已经占用锁的线程是同一个锁时，不会死锁，而是给这个锁的状态加一，以下代码实现了AQS的可重入性这个特点

我们再看一下这个lock()中compareAndSetState（）方法，其实就是一个原子操作，当前线程更改该state，更改成功，返回true.

公平锁

如上述，如果ReentrantLock创建的是公平锁，则实际创建的是他的内部类FairSync对象，则lock()调用的则是FairSync的lock()方法，这个lock直接调用了acquire()方法。

总结：

通过上述公平锁与非公平锁获取的阐述，我们发现非公平锁获取锁时，多了一步CAS去修改state,也就是说，当一个线程进来时，多了一次直接抢占到锁的机会。如果没有抢到，后续和公平锁一样，进入队列等待。

当要获取锁的线程和占有锁是同一个线程时，状态值加1，实现了可重入性。

每次只容许一个线程进入，是一个独占锁。

当没有获取到锁，会被挂起。