AQS-ReentrantLock實現原理

????AbstractQueuedSynchronizer （AQS）類如其名，抽象的隊列式同步容器，AQS定義類一套多線程訪問共享資源的同步器，許多同步類的實現都依賴于它，比如之前學習的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch。

1.AQS

AQS阻塞隊列.png
1。自定義同步器在實現時只需要實現共享資源state的獲取于釋放方式即可，至于具體線程等待隊列的維護(如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等)，AQS已經在頂層實現好了，自定義同步容器實現時主要實現以下幾種方法：
2.isHeldExclusively():該線程是否正在獨占資源，只有用到condition才需要取實現它。
3.tryAcquire(int):獨占方式，嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
4.tryRelease(int):獨占方式，嘗試釋放資源，成功則返回true,失敗則返回false。
5.tryAcquireShared(int):共享方式，嘗試獲取資源，附屬表示獲取失敗，0表示獲取成功，但是沒有剩余資源可用，其他線程不能在獲取，正數表示獲取成功，并且有剩余資源，也就是自己可以重復獲取(可重入)。
6.tryReleaseShare(int):共享方式。嘗試釋放資源，成功返回true，失敗返回false。
7.以ReentrantLock為例，state初始化為0，表示未鎖定狀態。A線程lock()的時候，會調用tryAcquire()獨占該鎖并將state+1。此后其他線程在tryAcquire()獨占該鎖并將state+1。此后表示其他線程再tryAcquire()時就會失敗，直到A線程unlock()到state=0（幾鎖釋放）為止，其他線程才有機會獲取該鎖。當然，釋放鎖之前，A線程自己是可以重復獲取此鎖的（state會累加），這就是可重入的概念。但要注意，獲取多少次就要釋放多么次，這樣才能保證state是能回到零態的。

2. ReentrantLock原理分析

2.1 Reentrantlock類結構

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable

可以看出Reentrantlock 實現類lock接口，首先看下這個lock接口。

public interface Lock {
    //普通的獲取鎖的方法，lock會阻塞直到成功
    void lock();

    //與lock不同的時，它可以相應中斷，
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    //嘗試獲取鎖，立即返回，不阻塞，成功返回true，失敗返回false
    boolean tryLock();

    //先嘗試獲取鎖，如果成功則返回true，失敗則阻塞等待，等待時間由參數決定，在等待的同時相應中斷，拋出中斷異常，如果在等待的過程中獲得類鎖則返回true，否則直到時間超時，則返回false。
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

//普通釋放鎖的方法    
void unlock();

//新建一個條件，lock可以關聯多個條件，關于條件在以后篇幅中記錄
    Condition newCondition();
}

????可以看出，顯示鎖，與synchronied相比，支持非阻塞的方式獲取鎖，可以響應中斷，可以限時，這使得它非常的靈活。
?????現在回到Reentrantlock類，可以看到其內部基本上定義類三個內部類：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {

    private final Sync sync;

     .....

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        ...
}

static final class NonfairSync extends Sync {
....
}

....

static final class FairSync extends Sync {
.....
}
.....
}

??????很顯然從上面的類結構，我們可以得出jdk利用CAS算法和AQS實現類ReentrantLock。

2.2. 構造函數分析

    /**
     * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
     * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
     */
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    /**
     * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
     * given fairness policy.
     *
     * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
     */
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    ???ReentrantLock出于性能考慮，默認采用非公平鎖。

2.3. 獲取鎖
2.3.1. 非公平模式下的加鎖

  /**
     * Sync object for non-fair locks
     */
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
                    //直接通過CAS算法，通過改變共享資源-state值，成功則設置當前線程為持有鎖的線程（獨占），失敗則調用頂層AQS的acquire方法，再次嘗試，失敗則將線程放到阻塞隊列
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
                ...
    }

2.3.2. 公平模式下的加鎖

    /**
     * Sync object for fair locks
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        //獲取鎖
        final void lock() {
            acquire(1); //在這里調用的時AQS頂層方法，獲取失敗則將線程放到阻塞隊列末尾
        }

        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
                        //當前資源還沒有被其他線程鎖定
            if (c == 0) {
                        //沒有其他線程正在競爭當前的臨界資源，并且通過CAS加鎖成功，則設置當前的線程為獨占此資源的線程
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
                        //如果此時臨界資源已經被鎖定，則先判斷持有者是否時當前線程
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                            //如果是持有者，則可重復獲取鎖，同時更新狀態值，注意加幾次鎖就要釋放幾次，直到為0
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

2.3.3、acquireInterruptibly解析

    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        //調用AQS頂層方法
        sync.acquireInterruptibly(1);  
    }

        //AQS頂層方法
    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

        //中斷響應
    private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

        大致過程如下：
        (1)如果線程已經中斷則直接拋出異常
        (2)如果線程還沒中斷，則通過自旋方式，申請鎖直至到當前線程獲得鎖，或失敗，然后響應中斷。

2.4 釋放鎖

        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;
        }

其釋放獨占鎖的過程大致如下：
(1)先獲取當前資源狀態，減去釋放release，一般是1；
(2)判斷當前線程是否鎖定資源的線程，如果不是則拋出異常；
(3)假如資源狀態值為0，則說明鎖已經釋放，將獨占線程至空，更新狀態值，返回設置成功或失敗