Java并發編程源碼分析系列：
前幾篇文章分析了線程池的原理，接下來研究鎖的方面。顯式鎖ReentrantLock和同步工具類的實現基礎都是AQS，所以合起來一齊研究。
什么是AQS
AQS即是AbstractQueuedSynchronizer，一個用來構建鎖和同步工具的框架，包括常用的ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等。
AQS沒有鎖之類的概念，它有個state變量，是個int類型，在不同場合有著不同含義。本文研究的是鎖，為了好理解，姑且先把state當成鎖。
AQS圍繞state提供兩種基本操作“獲取”和“釋放”，有條雙向隊列存放阻塞的等待線程，并提供一系列判斷和處理方法，簡單說幾點：
- state是獨占的，還是共享的；
- state被獲取后，其他線程需要等待；
- state被釋放后，喚醒等待線程；
- 線程等不及時，如何退出等待。
至于線程是否可以獲得state，如何釋放state，就不是AQS關心的了，要由子類具體實現。
直接分析AQS的代碼會比較難明白，所以結合子類ReentrantLock來分析。AQS的功能可以分為獨占和共享，ReentrantLock實現了獨占功能，是本文分析的目標。
ReentrantLock對比synchronized
Lock lock = new ReentranLock();
lock.lock();
try{
//do something
}finally{
lock.unlock();
}
ReentrantLock實現了Lock接口，加鎖和解鎖都需要顯式寫出，注意一定要在適當時候unlock。
和synchronized相比，ReentrantLock用起來會復雜一些。在基本的加鎖和解鎖上，兩者是一樣的，所以無特殊情況下，推薦使用synchronized。ReentrantLock的優勢在于它更靈活、更強大，除了常規的lock()、unlock()之外，還有lockInterruptibly()、tryLock()方法，支持中斷、超時。
公平鎖和非公平鎖
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
ReentrantLock的內部類Sync繼承了AQS，分為公平鎖FairSync和非公平鎖NonfairSync。
- 公平鎖：線程獲取鎖的順序和調用lock的順序一樣，FIFO；
- 非公平鎖：線程獲取鎖的順序和調用lock的順序無關，全憑運氣。
ReentrantLock默認使用非公平鎖是基于性能考慮，公平鎖為了保證線程規規矩矩地排隊，需要增加阻塞和喚醒的時間開銷。如果直接插隊獲取非公平鎖，跳過了對隊列的處理，速度會更快。
嘗試獲取鎖
final void lock() { acquire(1);}
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
先來看公平鎖的實現，lock方法很簡單的一句話調用AQS的acquire方法：
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
噢，AQS的tryAcquire不能直接調用，因為是否獲取鎖成功是由子類決定的，直接看ReentrantLock的tryAcquire的實現。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
獲取鎖成功分為兩種情況，第一個if判斷AQS的state是否等于0，表示鎖沒有人占有。接著，hasQueuedPredecessors判斷隊列是否有排在前面的線程在等待鎖，沒有的話調用compareAndSetState使用cas的方式修改state，傳入的acquires寫死是1。最后線程獲取鎖成功，setExclusiveOwnerThread將線程記錄為獨占鎖的線程。
第二個if判斷當前線程是否為獨占鎖的線程，因為ReentrantLock是可重入的，線程可以不停地lock來增加state的值，對應地需要unlock來解鎖，直到state為零。
如果最后獲取鎖失敗，下一步需要將線程加入到等待隊列。
線程進入等待隊列
AQS內部有一條雙向的隊列存放等待線程，節點是Node對象。每個Node維護了線程、前后Node的指針和等待狀態等參數。
線程在加入隊列之前，需要包裝進Node，調用方法是addWaiter：
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
每個Node需要標記是獨占的還是共享的，由傳入的mode決定，ReentrantLock自然是使用獨占模式Node.EXCLUSIVE。
創建好Node后，如果隊列不為空，使用cas的方式將Node加入到隊列尾。注意，這里只執行了一次修改操作，并且可能因為并發的原因失敗。因此修改失敗的情況和隊列為空的情況，需要進入enq。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq是個死循環，保證Node一定能插入隊列。注意到，當隊列為空時，會先為頭節點創建一個空的Node，因為頭節點代表獲取了鎖的線程，現在還沒有，所以先空著。
阻塞等待線程
線程加入隊列后，下一步是調用acquireQueued阻塞線程。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//1
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//2
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
標記1是線程喚醒后嘗試獲取鎖的過程。如果前一個節點正好是head，表示自己排在第一位，可以馬上調用tryAcquire嘗試。如果獲取成功就簡單了，直接修改自己為head。這步是實現公平鎖的核心，保證釋放鎖時，由下個排隊線程獲取鎖。（看到線程解鎖時，再看回這里啦）
標記2是線程獲取鎖失敗的處理。這個時候，線程可能等著下一次獲取，也可能不想要了，Node變量waitState描述了線程的等待狀態，一共四種情況：
static final int CANCELLED = 1; //取消
static final int SIGNAL = -1; //下個節點需要被喚醒
static final int CONDITION = -2; //線程在等待條件觸發
static final int PROPAGATE = -3; //（共享鎖）狀態需要向后傳播
shouldParkAfterFailedAcquire傳入當前節點和前節點，根據前節點的狀態，判斷線程是否需要阻塞。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
- 前節點狀態是SIGNAL時，當前線程需要阻塞；
- 前節點狀態是CANCELLED時，通過循環將當前節點之前所有取消狀態的節點移出隊列；
- 前節點狀態是其他狀態時，需要設置前節點為SIGNAL。
如果線程需要阻塞，由parkAndCheckInterrupt方法進行操作。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
parkAndCheckInterrupt使用了LockSupport，和cas一樣，最終使用UNSAFE調用Native方法實現線程阻塞（以后有機會就分析下LockSupport的原理，park和unpark方法作用類似于wait和notify）。最后返回線程喚醒后的中斷狀態，關于中斷，后文會分析。
到這里總結一下獲取鎖的過程：線程去競爭一個鎖，可能成功也可能失敗。成功就直接持有資源，不需要進入隊列；失敗的話進入隊列阻塞，等待喚醒后再嘗試競爭鎖。
釋放鎖
通過上面詳細的獲取鎖過程分析，釋放鎖過程大概可以猜到：頭節點是獲取鎖的線程，先移出隊列，再通知后面的節點獲取鎖。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
ReentrantLock的unlock方法很簡單地調用了AQS的release：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
和lock的tryAcquire一樣，unlock的tryRelease同樣由ReentrantLock實現：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
因為鎖是可以重入的，所以每次lock會讓state加1，對應地每次unlock要讓state減1，直到為0時將獨占線程變量設置為空，返回標記是否徹底釋放鎖。
最后，調用unparkSuccessor將頭節點的下個節點喚醒：
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
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);
}
尋找下個待喚醒的線程是從隊列尾向前查詢的，找到線程后調用LockSupport的unpark方法喚醒線程。被喚醒的線程重新執行acquireQueued里的循環，就是上文關于acquireQueued標記1部分，線程重新嘗試獲取鎖。
中斷鎖
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
在acquire里還有最后一句代碼調用了selfInterrupt，功能很簡單，對當前線程產生一個中斷請求。
為什么要這樣操作呢？因為LockSupport.park阻塞線程后，有兩種可能被喚醒。
第一種情況，前節點是頭節點，釋放鎖后，會調用LockSupport.unpark喚醒當前線程。整個過程沒有涉及到中斷，最終acquireQueued返回false時，不需要調用selfInterrupt。
第二種情況，LockSupport.park支持響應中斷請求，能夠被其他線程通過interrupt()喚醒。但這種喚醒并沒有用，因為線程前面可能還有等待線程，在acquireQueued的循環里，線程會再次被阻塞。parkAndCheckInterrupt返回的是Thread.interrupted()，不僅返回中斷狀態，還會清除中斷狀態，保證阻塞線程忽略中斷。最終acquireQueued返回true時，真正的中斷狀態已經被清除，需要調用selfInterrupt維持中斷狀態。
因此普通的lock方法并不能被其他線程中斷，ReentrantLock是可以支持中斷，需要使用lockInterruptibly。
兩者的邏輯基本一樣，不同之處是parkAndCheckInterrupt返回true時，lockInterruptibly直接throw new InterruptedException()。
非公平鎖
分析完公平鎖的實現，還剩下非公平鎖，主要區別是獲取鎖的過程不同。
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
在NonfairSync的lock方法里，第一步直接嘗試將state修改為1，很明顯，這是搶先獲取鎖的過程。如果修改state失敗，則和公平鎖一樣，調用acquire。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
nonfairTryAcquire和tryAcquire乍一看幾乎一樣，差異只是缺少調用hasQueuedPredecessors。這點體驗出公平鎖和非公平鎖的不同，公平鎖會關注隊列里排隊的情況，老老實實按照FIFO的次序；非公平鎖只要有機會就搶占，才不管排隊的事。
總結
從ReentrantLock的實現完整分析了AQS的獨占功能，總的來講并不復雜。別忘了AQS還有共享功能，下一篇是--分析CountDownLatch的實現原理。
