JAVA多线程之JDK中的各种锁详解(看这一篇就够了)
作者：_BugMan
1.概论
1.1.实现锁的要素
JAVA中的锁都是可重入的锁，因为不可重入的试用的时候很容易造成死锁。这个道理很好想明白：
当一个线程已经持有一个锁，并在持有该锁的过程中再次尝试获取同一把锁时，如果没有重入机制，第二次请求会被阻塞，因为锁已经被自己持有。这会导致线程自我死锁，因为它在等待自己释放的锁。
可重入是指获取锁的线程可以继续重复的获得此锁。其实我们想都能想到要实现一把锁需要些什么，首先肯定是：
标志位，也叫信号量，标记锁的状态和重入次数，这样才能完成持有锁和释放锁。
接下来要考虑的是拒接策略，当前锁被持有期间，后续的请求线程该怎么处理，当然可以直接拒绝，JAVA的选择委婉点，选择了允许这些线程躺在锁上阻塞等待锁被释放。要实现让线程躺在锁上等待，我们想想无非要：
需要支持对一个线程的阻塞、唤醒
需要记录当前哪个线程持有锁
需要一个队列维护所有阻塞在当前锁上的线程
OK，以上四点就是JAVA锁的核心，总结起来就是信号量+队列，分别用来记录持有者和等待者。
1.2.阻塞、唤醒操作
首先我们来看看阻塞和唤醒的操作，在JDK中提供了一个Unsafe类，该类中提供了阻塞或唤醒线程的一对操作 原语——park/unpark：
public native void unpark(Object var1); public native void park(boolean var1, long var2);
这对原语最终会调用操作系统的程序接口执行线程操作。
1.2.阻塞队列
拿来维护所有阻塞在当前锁上的线程的队列能是个普通队列吗？很显然不是，它的操作必须是线程安全的是吧，所以这个队列用阻塞队列实现才合适。什么是阻塞队列：
阻塞队列提供了线程安全的元素插入和移除操作，并且在特定条件下会阻塞线程，直到满足操作条件。
说到JDK中的阻塞队列，其核心就是AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS，由双向链表实现的一个元素操作绝对安全的队列，用来在锁的实现中维护阻塞在锁上的线程上的队列的这个角色。
来看看AQS的源码：
它有指向前后节点的指针、有一个标志位state、还有一个提供线程操作原原语（阻塞、唤醒）的unsafe类。
所以其实AQS就长这样：
点进源码可以看到其随便一个方法都是线程安全的：
由于本文不是专门聊AQS这里就不扩展了，反正知道AQS是一个线程安全的阻塞队列就对了。
1.3.Lock接口和Sync类
JAVA中所有锁的顶级父接口，用来规范定义一把锁应该有那些行为职责：
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}JAVA中所有锁的实现都是依托AQS去作为阻塞队列，每个锁内部都会实现一个Sync内部类，在自身Sync内部以不同的策略去操作AQS实现不同种类的锁。
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {......}2.各种锁
2.1.互斥锁
2.1.1.概论
ReentrantLock，互斥锁，ReentrantLock本身没有任何代码逻辑，依靠内部类Sync干活儿：
public class ReentrantLock implements Lock, Serializable {
private final ReentrantLock.Sync sync;
public void lock() {
this.sync.lock();
}
public void unlock() {
this.sync.release(1);
}
......
}ReentrantLock的Sync继承了AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {......}Sync是抽象类，有两个实现：
NonfairSync，公平锁
FairSync，非公平锁
实例化ReentrantLock的实例时，根据传入的标志位可以创建公平和公平的实现
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable{
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
......
}
}2.1.2.源码
1.lock()
公平锁的lock()：
static final class FairSync extends Sync {
final void lock() {
acquire(1);//进来直接排队
}非公平锁的lock():
static final class NonfairSync extends Sync {
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//进来直接抢锁
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//将锁的持有者设置为当前线程
else
acquire(1);//没抢过再去排队
}
}acquire（）是AQS的模板方法：
tryAcquire，尝试再去获取一次锁，公平锁依然是排队抢，去看看阻塞队列是否为空；非公平锁依然是直接抢。
acquireQueued，将线程放入阻塞队列。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}acquireQueued（..）是lock()最关键的一部分，addWaiter（..）把Thread对象加入阻塞队列，acquireQueued（..）完成对线程的阻塞。
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)) {//如果发现自己在队头就去拿锁
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())//调用原语，阻塞自己
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}acquireQueued（..）函数有一个返回值，表示什么意思 呢？虽然该函数不会中断响应，但它会记录被阻塞期间有没有其他线 程向它发送过中断信号。如果有，则该函数会返回true；否则，返回false。所以才有了以下逻辑：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}当 acquireQueued（..） 返回 true 时，会调用 selfInterrupt （），自己给自己发送中断信号，也就是自己把自己的中断标志位设 为true。之所以要这么做，是因为自己在阻塞期间，收到其他线程中 断信号没有及时响应，现在要进行补偿。这样一来，如果该线程在loc k代码块内部有调用sleep（）之类的阻塞方法，就可以抛出异常，响 应该中断信号。
2.unlock()
unlock的逻辑很简单，每次unlock，state-1，直到state=0时，将锁的拥有者置null，释放锁。由于只有锁的持有线程才能操作lock，所以unlock()不需要用CAS，操作时直接判断一下是不是锁的持有线程在操作即可。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {//释放锁
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);//唤醒阻塞队列中的后继者
return true;
}
return false;
}释放锁：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;//每次unlock，state减1
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())//判断是不是锁的持有线程
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {//state为0表示该锁没有被持有
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);//将锁的持有者置null
}
setState(c);
return free;
}唤醒后继者：
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);
}2.2.读写锁
读写锁是一个实现读写互斥的锁，读写锁包含一个读锁、一个写锁：
public interface ReadWriteLock{
Lock readLock();
Lock writeLock();
}读写锁的使用就是直接调用对应锁进行锁定和解锁：
ReadWriteLock rwLock=new ReetrantReadWriteLock(); Lock rLock=rwLock.readLock(); rLock.lock(); rLock.unLock(); Lock wLock=rwLock.writeLock(); wLock.lock(); wLock.unLock();
读写锁的Sync内部类对读锁和写锁采用同一个int型的信号量的高16位和低16位分别表示读写锁的状态和重入次数，这样一次CAS就能统一处理进行读写互斥操作：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
static final int SHARED_SHIFT = 16;
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
}2.3.Condition
2.3.1.概论
condition用于更加细粒度的控制锁上面的线程阻塞、唤醒。
以下以一个经典的生产、消费者问题为例：
队列空的时候进来的消费者线程阻塞，有数据放进来后唤醒阻塞的消费者线程。
队列满的时候进来的生产者线程阻塞，有空位后唤醒阻塞的生产者线程。
锁粒度的实现：
public void enqueue(){
synchronized(queue){
while(queue.full()){
queue.wait();
}
//入队列
......
//通知消费者，队列中有数据了
queue.notify();
}
}
public void dequeue(){
synchronized(queue){
while(queue.empty()){
queue.wait();
}
//出队列
......
//通知生产者，队列中有空位了，可以继续放数据
queue.notify();
}
}可以发现，唤醒的时候把阻塞的生产消费线程一起唤醒了。
条件粒度的实现：
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = lock.newCondition(); // 用于等待队列不满
private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 用于等待队列非空
public void enqueue(Object item) {
try {
while (queue.isFull()) {
notFull.await(); // 等待队列不满
}
// 入队列操作
// ...
// 入队后，通知等待的消费者
notEmpty.signal();
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt(); // 保持中断状态
// 处理中断逻辑
} finally {
queue.unlock();
}
}
public void dequeue() {
try {
while (queue.isEmpty()) {
notEmpty.await(); // 等待队列非空
}
// 出队列操作
// ...
// 出队后，通知等待的生产者
notFull.signal();
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt(); // 保持中断状态
// 处理中断逻辑
} finally {
queue.unlock();
}
}2.3.2.底层实现
Condition由Lock产生，因此Lock中持有Condition：
public interface Lock {
......
Condition newCondition();
}承担功能的其实就是Syn中的ConditionObject，也就是AQS中的ConditionObject：
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject(this);
}一个Condition上面阻塞着多个线程，所以每个Condition内部都有一个队列，用来记录阻塞在这个condition上面的线程，这个队列其实也是AQS实现的，AQS中除了实现一个以Node为节点的队列，还实现了一个以ConditionObject为节点的队列：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
......
}
}Condition是个接口，定义了一系列条件操作：
public interface Condition {
void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long var1) throws InterruptedException;
boolean await(long var1, TimeUnit var3) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date var1) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();
}总结
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