【源码篇】深入Lock锁底层原理实现，手写一个可重入锁

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【源码篇】深入Lock锁底层原理实现，手写一个可重入锁

Original 黎杜非科班的科班 2020-09-07

synchronized与lock

lock是一个接口，而synchronized是在JVM层面实现的。synchronized释放锁有两种方式：

获取锁的线程执行完同步代码，释放锁。
线程执行发生异常，jvm会让线程释放锁。

lock锁的释放，出现异常时必须在finally中释放锁，不然容易造成线程死锁。lock显式获取锁和释放锁，提供超时获取锁、可中断地获取锁。

synchronized是以隐式地获取和释放锁，synchronized无法中断一个正在等待获取锁的线程。

synchronized原始采用的是CPU悲观锁机制，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。

Lock用的是乐观锁方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁实现的机制就是CAS操作。

具体的悲观锁和乐观锁的详细介绍请参考这篇文章[浅谈数据库乐观锁、悲观锁]

在JDK5中增加了一个Lock接口实现类ReentrantLock.它不仅拥有和synchronized相同的并发性和内存语义,还多了锁投票,定时锁,等候和中断锁等.它们的性能在不同的情况下会有不同。

在资源竞争不是很激烈的情况下,synchronized的性能要由于ReentrantLock,但是在资源竞争很激烈的情况下,synchronized的性能会下降得非常快,而ReentrantLock的性能基本保持不变.

接下来我们会进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState。

lock源码

在阅读源码的成长的过程中，有很多人会遇到很多困难，一个是源码太多，另一方面是源码看不懂。在阅读源码方面，我提供一些个人的建议：

第一个是抓主舍次，看源码的时候，很多人会发现源码太长太多，看不下去，这就要求我们抓住哪些是核心的方法，哪些是次要的方法。当舍去次要方法，就会发现代码精简和很多，会大大提高我们阅读源码的信心。
第二个是不要死扣，有人看源码会一行一行的死扣，当看到某一行看不懂，就一直停在那里死扣，知道看懂为止，其实很多时候，虽然看不懂代码，但是可以从变量名和方法名知道该代码的作用，java中都是见名知意的。

接下来进入阅读lock的源码部分，在lock的接口中，主要的方法如下：

public interface Lock {
    // 加锁
    void lock()；
    // 尝试获取锁
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    // 解锁
    void unlock();
}

在lock接口的实现类中，最主要的就是ReentrantLock，来看看ReentrantLock中lock()方法的源码：

    // 默认构造方法，非公平锁
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    // 构造方法，公平锁
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    // 加锁
    public void lock() {
        sync.lock();
    }

在初始化lock实例对象的时候，可以提供一个boolean的参数，也可以不提供该参数。提供该参数就是公平锁，不提供该参数就是非公平锁。

什么是非公平锁和公平锁呢？

非公平锁就是不按照线程先来后到的时间顺序进行竞争锁，后到的线程也能够获取到锁，公平锁就是按照线程先来后到的顺序进行获取锁，后到的线程只能等前面的线程都获取锁完毕才执行获取锁的操作，执行有序。

我们来看看lock()这个方法，这个有区分公平锁和非公平锁，这个两者的实现不同，先来看看公平锁，源码如下：

// 直接调用 acquire(1)
final void lock() {
     acquire(1);
 }

我们来看看acquire(1)的源码如下：

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

这里的判断条件主要做两件事：

通关过该方法tryAcquire(arg)尝试的获取锁
若是没有获取到锁，通过该方法acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)就将当前的线程加入到存储等待线程的队列中。

其中tryAcquire(arg）是尝试获取锁，这个方法是公平锁的核心之一，它的源码如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
             // 获取当前线程 
            final Thread current = Thread.currentThread();
            // 获取当前线程拥有着的状态
            int c = getState();
            // 若为0，说明当前线程拥有着已经释放锁
            if (c == 0) {
                 // 判断线程队列中是否有，排在前面的线程等待着锁，若是没有设置线程的状态为1。
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    // 设置线程的拥有着为当前线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
                // 若是当前的线程的锁的拥有者就是当前线程，可重入锁
            } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                // 执行状态值+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // 设置status的值为nextc
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

在tryAcquire()方法中，主要是做了以下几件事：

判断当前线程的锁的拥有者的状态值是否为0，若为0，通过该方法hasQueuedPredecessors()再判断等待线程队列中，是否存在排在前面的线程。
若是没有通过该方法 compareAndSetState(0, acquires)设置当前的线程状态为1。
将线程拥有者设为当前线程setExclusiveOwnerThread(current)
若是当前线程的锁的拥有者的状态值不为0，说明当前的锁已经被占用，通过current == getExclusiveOwnerThread()判断锁的拥有者的线程，是否为当前线程，实现锁的可重入。
若是当前线程将线程的状态值+1，并更新状态值。

公平锁的tryAcquire()，实现的原理图如下：

我们来看看acquireQueued()方法，该方法是将线程加入等待的线程队列中，源码如下：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            // 死循环处理
            for (;;) {
                // 获取前置线程节点
                final Node p = node.predecessor();
                // 这里又尝试的去获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    // 直接return  interrupted
                    return interrupted;
                }
                // 在获取锁失败后，应该将线程Park(暂停)
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

acquireQueued()方法主要执行以下几件事：

死循环处理等待线程中的前置节点，并尝试获取锁，若是p == head && tryAcquire(arg)，则跳出循环，即获取锁成功。
若是获取锁不成功shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt()就会将线程暂停。

在acquire(int arg)方法中，最后若是条件成立，执行下面的源码：

selfInterrupt();

// 实际执行的代码为
Thread.currentThread().interrupt();

即尝试获取锁失败，就会将锁加入等待的线程队列中，并让线程处于中断等待。公平锁lock()方法执行的原理图如下：

之所以画这些原理的的原因，是为后面写一个自己的锁做铺垫，因为你要实现和前人差不多的东西，你必须了解该东西执行的步骤，最后得出的结果，执行的过程是怎么样的。

有了流程图，在后面的实现自己的东西才能一步一步的进行。这也是阅读源码的必要之一。

在lock()方法，其实在lock()方法中，已经包含了两方面：

锁方法lock()。
尝试获取锁方法tryAquire()。

接下来，我们来看一下unlock()方法的源码。

  public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

直接调用release(1)方法，来看release方法源码如下：

    public final boolean release(int arg) {
       // 尝试释放当前节点
        if (tryRelease(arg)) {
            // 取出头节点
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 释放锁后要即使唤醒等待的线程来获取锁
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

通过调用tryRelease(arg)，尝试释放当前节点，若是释放锁成功，就会获取的等待队列中的头节点，就会即使唤醒等待队列中的等待线程来获取锁。接下来看看tryRelease(arg)的源码如下：

// 尝试释放锁
 protected final boolean tryRelease(int releases) {
            // 将当前状态值-1
            int c = getState() - releases;
            // 判断当前线程是否是锁的拥有者，若不是直接抛出异常，非法操作，直接一点的解释就是，你都没有拥有锁，还来释放锁，这不是骗人的嘛
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //执行释放锁操作 1.若状态值=0   2.将当前的锁的拥有者设为null
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            // 重新更新status的状态值
            setState(c);
            return free;
        }

总结上面的几个方法，unlock释放锁方法的执行原理图如下：

对于非公平锁与公平锁的区别，在非公平锁尝试获取锁中不会执行hasQueuedPredecessors()去判断是否队列中还有等待的前置节点线程。

如下面的非公平锁，尝试获取锁nonfairTryAcquire()源码如下：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                // 直接就将status-1，并不会判断是否还有前置线程在等待
                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;
        }

以上就是公平锁和非公平锁的主要的核心方法的源码，接下来我们实现自己的一个锁，首先依据前面的分析中，要实现自己的锁，拥有的锁的核心属性如下：

状态值status，0为未占用锁，1未占用锁，并且是线程安全的。
等待线程队列，用于存放获取锁的等待线程。
当前线程的拥有者。

lock锁的核心的Api如下：

lock方法
trylock方法
unlock方法

依据以上的核心思想来实现自己的锁，首先定义状态值status，使用的是AtomicInteger原子变量来存放状态值，实现该状态值的并发安全和可见性。定义如下：

// 线程的状态 0表示当前没有线程占用   1表示有线程占用
    AtomicInteger status =new AtomicInteger();

接下来定义等待线程队列，使用LinkedBlockingQueue队列来装线程，定义如下：

// 等待的线程
LinkedBlockingQueue<Thread> waiters = new LinkedBlockingQueue<Thread>();

最后的属性为当前锁的拥有者，直接就用Thread来封装，定义如下：

// 当前线程拥有者
Thread ownerThread =null;

接下来定义lock()方法，依据上面的源码分析，在lock方法中主要执行的几件事如下：

死循环的处理等待线程队列中的线程，知道获取锁成功，将该线程从队列中删除，跳出循环。
获取锁不成功，线程处于暂停等待。

    @Override
    public void lock() {
        // TODO Auto-generated method stub
        // 尝试获取锁
        if (!tryLock()) {
            // 获取锁失败，将锁加入等待的队列中
            waitersQueue.add(Thread.currentThread());
            // 死循环处理队列中的锁，不断的获取锁
            for (;;) {
                if (tryLock()) {
                    // 直到获取锁成功，将该线程从等待队列中删除
                    waitersQueue.poll();
                    // 直接返回
                    return;
                } else {
                    // 获取锁不成功，就直接暂停等待。
                    LockSupport.park();
                }
            }
        }
    }

然后是trylock方法，依据上面的源码分析，在trylock中主要执行的以下几件事：

判断当前拥有锁的线程的状态是否为0，为0，执行状态值+1，并将当前线程设置为锁拥有者。
实现锁可重入

    @Override
    public boolean tryLock() {
        // 判断是否有现成占用
        if (status.get()==0) {
            // 执行状态值加1
            if (status.compareAndSet(0, 1)) {
                // 将当前线程设置为锁拥有者
                ownerThread = Thread.currentThread();
                return true;
            } else if(ownerThread==Thread.currentThread())  {
                // 实现锁可重入
                status.set(status.get()+1);
            }
        }
        return false;
    }

最后就是unlock方法，依据上面的源码分析，在unlock中主要执行的事情如下：

判断当前线程是否是锁拥有者，若不是直接抛出异常。
判断状态值是否为0，并将锁拥有者清空，唤醒等待的线程。

    @Override
    public void unlock() {
        // TODO Auto-generated method stub
        // 判断当前线程是否是锁拥有者
        if (ownerThread!=Thread.currentThread()) {
            throw new RuntimeException("非法操作");
        }
        // 判断状态值是否为0
        if (status.decrementAndGet()==0) {
            // 清空锁拥有着
            ownerThread = null;
            // 从等待队列中获取前置线程
            Thread t = waitersQueue.peek();
            if (t!=null) {
               // 并立即唤醒该线程
                LockSupport.unpark(t);
            }
        }
    }