開(kāi)篇

用圖形化的方式加深加鎖和解鎖過(guò)程的解釋性。

java源碼 - ReentrantLock
java源碼 - ReentrantLock之FairSync
java源碼 - ReentrantLock之NonfairSync
java源碼 - ReentrantLock圖解加鎖過(guò)程

加鎖流程

• 1、首先我們分析非公平鎖的的請(qǐng)求過(guò)程。我們假設(shè)在這個(gè)時(shí)候，還沒(méi)有任務(wù)線程獲取鎖，這個(gè)時(shí)候，第一個(gè)線程過(guò)來(lái)了(我們使用的是非公平鎖)，那么第一個(gè)線程thread1會(huì)去獲取鎖.
  這時(shí)它會(huì)調(diào)用下面的方法，通過(guò)CAS的操作，將當(dāng)前AQS的state由0變成1，證明當(dāng)前thread1已經(jīng)獲取到鎖，并且將AQS的exclusiveOwnerThread設(shè)置成thread1，證明當(dāng)前持有鎖的線程是thread1。：

final void lock() {
  if (compareAndSetState(0, 1))
      setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
  else
      acquire(1);
}

• 2、此時(shí)來(lái)了第二個(gè)線程thread2，并且我們假設(shè)thread1還沒(méi)有釋放鎖，因?yàn)槲覀兪褂玫氖欠枪芥i，那么thread2首先會(huì)進(jìn)行搶占式的去獲取鎖，調(diào)用NonFairSync.lock方法獲取鎖。
  NonFairSync.lock方法的第一個(gè)分支是通過(guò)CAS操作獲取鎖，很明顯，這一步肯定會(huì)失敗，因?yàn)榇藭r(shí)thread1還沒(méi)有釋放鎖。那么thread2將會(huì)走NonFairSync.lock方法的第二個(gè)分支，進(jìn)行acquire(1)操作。
  acquire(1)其實(shí)是AQS的方法，acquire(1)方法內(nèi)部首先調(diào)用tryAcquire方法，ReentrantLock.NonFairLock重寫了tryAcquire方法，并且ReentrantLock.NonFairLock的tryAcquire方法又調(diào)用了ReentrantLock.Sync的nonfairTryAcquire方法.
  nonfairTryAcquire方法如下：

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;
      }

這個(gè)方法的執(zhí)行邏輯如下：

• 1. 獲取當(dāng)前將要去獲取鎖的線程，在此時(shí)的情況下，也就是我們的thread2線程。

• 2. 獲取當(dāng)前AQS的state的值。如果此時(shí)state的值是0，那么我們就通過(guò)CAS操作獲取鎖，然后設(shè)置AQS的exclusiveOwnerThread為thread2。很明顯，在當(dāng)前的這個(gè)執(zhí)行情況下，state的值是1不是0，因?yàn)槲覀兊膖hread1還沒(méi)有釋放鎖。

• 3. 如果當(dāng)前將要去獲取鎖的線程等于此時(shí)AQS的exclusiveOwnerThread的線程，則此時(shí)將state的值加1，很明顯這是重入鎖的實(shí)現(xiàn)方式。在此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)下，將要去獲取鎖的線程不是thread1，也就是說(shuō)這一步不成立。

• 4. 以上操作都不成立的話，我們直接返回false。

既然返回了false，那么之后就會(huì)調(diào)用addWaiter方法，這個(gè)方法負(fù)責(zé)把當(dāng)前無(wú)法獲取鎖的線程包裝為一個(gè)Node添加到隊(duì)尾。通過(guò)下面的代碼片段我們就知道調(diào)用邏輯：

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

我們進(jìn)入到addWaiter方法內(nèi)部去看：

    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;
    }

很明顯在addWaiter內(nèi)部：

第一步：將當(dāng)前將要去獲取鎖的線程也就是thread2和獨(dú)占模式封裝為一個(gè)node對(duì)象。并且我們也知道在當(dāng)前的執(zhí)行環(huán)境下，線程阻塞隊(duì)列是空的，因?yàn)閠hread1獲取了鎖，thread2也是剛剛來(lái)請(qǐng)求鎖，所以線程阻塞隊(duì)列里面是空的。很明顯，這個(gè)時(shí)候隊(duì)列的尾部tail節(jié)點(diǎn)也是null，那么將直接進(jìn)入到enq方法。

第二步：我們首先看下enq方法的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。首先內(nèi)部是一個(gè)自懸循環(huán)。

    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;
                }
            }
        }
    }

第一次循環(huán)：
t為null，隨后我們new出了一個(gè)空的node節(jié)點(diǎn)，并且通過(guò)CAS操作設(shè)置了線程的阻塞隊(duì)列的head節(jié)點(diǎn)就是我們剛才new出來(lái)的那個(gè)空的node節(jié)點(diǎn)，其實(shí)這是一個(gè)“假節(jié)點(diǎn)”，那么什么是“假節(jié)點(diǎn)”呢？那就是節(jié)點(diǎn)中不包含線程。設(shè)置完head節(jié)點(diǎn)后，同時(shí)又將head節(jié)點(diǎn)賦值給尾部tail節(jié)點(diǎn)，到此第一次循環(huán)結(jié)束。此時(shí)的節(jié)點(diǎn)就是如下：

第二次循環(huán)：
現(xiàn)在判斷尾部tail已經(jīng)不是null了，那么就走第二個(gè)分支了。將尾部tail節(jié)點(diǎn)賦值給我們傳遞進(jìn)來(lái)的節(jié)點(diǎn)Node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)的結(jié)構(gòu)如下：

然后再通過(guò)CAS的操作，將我們傳遞進(jìn)來(lái)的節(jié)點(diǎn)node設(shè)置成尾部tail節(jié)點(diǎn)，并且將我們的node節(jié)點(diǎn)賦值給原來(lái)的老的那個(gè)尾部節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)，此時(shí)的結(jié)構(gòu)如下：

這個(gè)時(shí)候代碼中使用了return關(guān)鍵字，也就是證明我們經(jīng)過(guò)了2次循環(huán)跳出了這個(gè)自懸循環(huán)體系。

按照代碼的執(zhí)行流程，接下來(lái)將會(huì)調(diào)用acquireQueued方法，主要是判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是不是head節(jié)點(diǎn)，如果是的話，就再去嘗試獲取鎖，如果不是，就掛起當(dāng)前線程。這里可能有人疑問(wèn)了，為什么判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是head節(jié)點(diǎn)的話就去嘗試獲取鎖呢？因?yàn)槲覀冎纇ead節(jié)點(diǎn)是一個(gè)假節(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是頭節(jié)點(diǎn)即是假節(jié)點(diǎn)的話，那么這個(gè)假節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)就有可能有獲取鎖的機(jī)會(huì)，所以我們需要去嘗試。

現(xiàn)在我們看下acquireQueued方法內(nèi)部，我們也可以清楚的看到，這個(gè)方法的內(nèi)部也是一個(gè)自懸循環(huán)。

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

第一次循環(huán)：獲取我們傳入node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，判斷是否是head節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在我們的狀態(tài)是：

很明顯滿足當(dāng)前node節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是head節(jié)點(diǎn)，那么現(xiàn)在我們就要去調(diào)用tryAcquire方法，也就是NonfairSync類的tryAcquire方法，而這個(gè)方法又調(diào)用了ReentrantLock.Sync.nonfairTryAcquire方法。

很明顯此時(shí)thread2獲取鎖是失敗的，直接返回false。按照調(diào)用流程，現(xiàn)在進(jìn)入了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的shouldParkAfterFailedAcquire方法，檢查當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitstatus。shouldParkAfterFailedAcquire方法內(nèi)部如下：

    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;
    }

• 1. 如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitStatus為-1，也就是SIGNAL，就返回true。
• 2. 如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitstatus大于0，也就是說(shuō)被CANCEL掉了，這個(gè)時(shí)候我們會(huì)除掉這個(gè)節(jié)點(diǎn)。
• 3. 如果都不是以上的情況，就通過(guò)CAS操作將這個(gè)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)設(shè)置成SIGHNAL。

很明顯，我們?cè)谶@里的情況是第3種情況，并且這個(gè)方法運(yùn)行后返回false。此時(shí)的結(jié)構(gòu)如下，主要是head節(jié)點(diǎn)的waitStatus由0變成了-1。

第二次循環(huán)：獲取我們傳入node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，判斷是否是head節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在我們的狀態(tài)是：

很明顯滿足當(dāng)前node節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是head節(jié)點(diǎn)，那么現(xiàn)在我們就要去調(diào)用tryAcquire方法，也就是NonfairSync類的tryAcquire方法，而這個(gè)方法又調(diào)用了ReentrantLock.Sync.nonfairTryAcquire方法。

很明顯此時(shí)thread2獲取鎖是失敗的，直接返回false。按照調(diào)用流程，現(xiàn)在進(jìn)入了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的shouldParkAfterFailedAcquire方法，檢查當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitstatus。此時(shí)waitstatus為-1，這個(gè)方法返回true。

shouldParkAfterFailedAcquire返回true后，就會(huì)調(diào)用parkAndCheckInterrupt方法，直接將當(dāng)前線程thread2阻塞。

仔細(xì)看這個(gè)方法acquireQueued方法，是無(wú)限循環(huán)，感覺(jué)如果p == head && tryAcquire(arg)條件不滿足循環(huán)將永遠(yuǎn)無(wú)法結(jié)束，在這里，當(dāng)然不會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)。因?yàn)閜arkAndCheckInterrupt會(huì)把當(dāng)前線程阻塞。分析到這里，我們的thread2線程已經(jīng)被阻塞了，這個(gè)線程不會(huì)再繼續(xù)執(zhí)行下去了。

• 3、假設(shè)現(xiàn)在我們的thread1還沒(méi)有釋放鎖，而現(xiàn)在又來(lái)了一個(gè)線程thread3。

thread3首先調(diào)用lock方法獲取鎖，首先去搶占鎖，因?yàn)槲覀冎纓hread1還沒(méi)有釋放鎖，這個(gè)時(shí)候thread3肯定搶占失敗，于是又調(diào)用了acquire方法，接著又失敗。接著會(huì)去調(diào)用addWaiter方法，將當(dāng)前線程thread3封裝成node加入到線程阻塞隊(duì)列的尾部?，F(xiàn)在的結(jié)構(gòu)如下：

addWaiter如下：

    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;
    }

第一步：將當(dāng)前將要去獲取鎖的線程也就是thread3和獨(dú)占模式封裝為一個(gè)node對(duì)象。并且我們也知道在當(dāng)前的執(zhí)行環(huán)境下，線程阻塞隊(duì)列不是空的，因?yàn)閠hread2獲取了鎖，thread2已經(jīng)加入了隊(duì)列。
很明顯，這個(gè)時(shí)候隊(duì)列的尾部tail節(jié)點(diǎn)也不是null，那么將直接進(jìn)入到if分支。將尾部tail節(jié)點(diǎn)賦值給我們傳入的node節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。如下：

第二步：通過(guò)CAS將我們傳遞進(jìn)來(lái)的node節(jié)點(diǎn)設(shè)置成tail節(jié)點(diǎn)，并且將新tail節(jié)點(diǎn)設(shè)置成老tail節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。

到此，addWaiter方法執(zhí)行完畢，接著執(zhí)行acquireQueued方法。這是一個(gè)自循環(huán)方法。

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

第一次循環(huán)：獲取我們傳入node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，判斷是否是head節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在我們的狀態(tài)是：

我們傳入node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)不是head節(jié)點(diǎn)，那么直接走第二個(gè)if分支，調(diào)用shouldParkAfterFailedAcquire方法。

    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;
    }

• 1. 如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitStatus為-1，也就是SIGNAL，就返回true。
• 2. 如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitstatus大于0，也就是說(shuō)被CANCEL掉了，這個(gè)時(shí)候我們會(huì)除掉這個(gè)節(jié)點(diǎn)。
• 3. 如果都不是以上的情況，就通過(guò)CAS操作將這個(gè)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)設(shè)置成SIGHNAL。

很明顯，我們?cè)谶@里的情況是第3種情況，并且這個(gè)方法運(yùn)行后返回false。
此時(shí)的結(jié)構(gòu)如下，主要是t節(jié)點(diǎn)的waitStatus由0變成了-1。

第二次循環(huán)：獲取我們傳入node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，判斷是否是head節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在我們的狀態(tài)是：

很明顯我們傳入node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)不是head節(jié)點(diǎn)，那么直接進(jìn)入shouldParkAfterFailedAcquire方法。

1. 如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitStatus為-1，也就是SIGNAL，就返回true。
2. 如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的waitstatus大于0，也就是說(shuō)被CANCEL掉了，這個(gè)時(shí)候我們會(huì)除掉這個(gè)節(jié)點(diǎn)。
3. 如果都不是以上的情況，就通過(guò)CAS操作將這個(gè)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)設(shè)置成SIGHNAL。

很明顯，我們?cè)谶@里的情況是第1種情況，并且這個(gè)方法運(yùn)行后返回true。
然后就會(huì)調(diào)用parkAndCheckInterrupt方法，直接將當(dāng)前線程thread3阻塞?，F(xiàn)在thread2和thread3都已經(jīng)被阻塞。

釋放鎖的過(guò)程

現(xiàn)在thread1要開(kāi)始釋放鎖了。調(diào)用unlock方法，unlock方法又調(diào)用了內(nèi)部的release方法:

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

• 獲取當(dāng)前AQS的state，并減去1，判斷當(dāng)前線程是否等于AQS的exclusiveOwnerThread，如果不是，就拋異常，這就保證了加鎖和釋放鎖必須是同一個(gè)線程。
• 如果(state-1)的結(jié)果不為0，說(shuō)明鎖被重入了，需要多次unlock。
  如果(state-1)等于0，我們就將AQS的ExclusiveOwnerThread設(shè)置為null。

• 如果上述操作成功了，也就是tryRelase方法返回了true，那么就會(huì)判斷當(dāng)前隊(duì)列中的head節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)如下：

  
  

如果head節(jié)點(diǎn)不為null，并且head節(jié)點(diǎn)的waitStatus不為0, 我們就調(diào)用unparkSuccessor方法去喚醒head節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。

    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);
    }

第一步：獲取head節(jié)點(diǎn)的waitStatus，如果小于0，就通過(guò)CAS操作將head節(jié)點(diǎn)的waitStatus修改為0，現(xiàn)在是：

第二步：尋找head節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)的waitStatus小于0，就喚醒這個(gè)節(jié)點(diǎn)，否則遍歷下去，找到第一個(gè)waitStatus<=0的節(jié)點(diǎn)，并喚醒。現(xiàn)在thread2線程被喚醒了，我們知道剛才thread2在acquireQueued被中斷，現(xiàn)在繼續(xù)執(zhí)行，又進(jìn)入了for循環(huán)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是head并且調(diào)用tryAquire方法獲得鎖并且成功。那么設(shè)置當(dāng)前Node為head節(jié)點(diǎn)，將里面的thead和prev設(shè)置為null。

調(diào)用完畢后，acquireQueued返回false。并且現(xiàn)在thread2自由了。到此，已經(jīng)全部分析完畢。