JAVA LOCK代码浅析【转】

JAVA LOCK总体来说关键要素主要包括3点:
1.unsafe.compareAndSwapXXX(Object o,long offset,int expected,int x)
2.unsafe.park() 和 unsafe.unpark()
3.单向链表结构或者说存储线程的数据结构

第1点
主要为了保证锁的原子性，相当于一个锁是否正在被使用的标记，并且比较和设置这个标记的操作是原子的(硬件提供的swap和test_and_set指 令，单CPU下同一指令的多个指令周期不可中断，SMP中通过锁总线支持上诉两个指令的原子性),这基本等于软件级别所能达到的最高级别隔离。

第2点
主要将未得到锁的线程禁用(park)和唤醒(unpark)，也是直接native实现（这几个native方法的实现代码在hotspot\src \share\vm\prims\unsafe.cpp文件中，但是关键代码park的最终实现是和操作系统相关的，比如windows下实现是在 os_windows.cpp中，有兴趣的同学可以下载jdk源码查看）。唤醒一个被park()线程主要手段包括以下几种
1. 其他线程调用以被park()线程为参数的unpark(Thread thread).
2. 其他线程中断被park()线程,如waiters.peek().interrupt();waiters为存储线程对象的队列.
3. 不知原因的返回。

park()方法返回并不会报告到底是上诉哪种返回，所以返回好最好检查下线程状态，如

LockSupport.park();  //禁用当前线程

if (Thread.interrupted){

//doSomething

}

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）对于这点实现得相当巧妙，如下所示

private void doAcquireSharedInterruptibly( int arg) throws InterruptedException {

     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);

     try {

          for (;;) {

              final Node p = node.predecessor();

              if (p == head) {

                  int r = tryAcquireShared(arg);

                  if (r >= 0 ) {

                      setHeadAndPropagate(node, r);

                      p.next = null ; // help GC

                      return ;

                  }

              }

              //parkAndCheckInterrupt()会返回park住的线程在被unpark后的线程状态，如果线程中断，跳出循环。

              if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                  parkAndCheckInterrupt())

                  break ;

          }

      } catch (RuntimeException ex) {

           cancelAcquire(node);

           throw ex;

      }

      // 只有线程被interrupt后才会走到这里

      cancelAcquire(node);

      throw new InterruptedException();

}

//在park()住的线程被unpark()后，第一时间返回当前线程是否被打断

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {

     LockSupport.park( this );

     return Thread.interrupted();

}

第3点对于一个Synchronizer的实现非常重要，存储等待线程，并且unlock时唤醒等待线程，这中间有很多工作需要做，唤醒策略，等待线程意外终结处理，公平非公平，可重入不可重入等。

以上简单说明了下JAVA LOCKS关键要素，现在我们来看下java.util.concurrent.locks大致结构

上图中，LOCK的实现类其实都是构建在AbstractQueuedSynchronizer上，为何图中没有用UML线表示呢，这是每个Lock实现 类都持有自己内部类Sync的实例，而这个Sync就是继承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。为何要实现不同的Sync 呢？这和每种Lock用途相关。另外还有AQS的State机制。

基于AQS构建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantRead WriteLock,FutureTask等，这些Synchronizer实际上最基本的东西就是原子状态的获取和释放，只是条件不一样而已。

ReentrantLock需要记录当前线程获取原子状态的次数，如果次数为零，那么就说明这个线程放弃了锁（也有可能其他线程占据着锁从而需要等 待），如果次数大于1，也就是获得了重进入的效果，而其他线程只能被park住，直到这个线程重进入锁次数变成0而释放原子状态。以下为 ReetranLock的FairSync的tryAcquire实现代码解析。

//公平获取锁

protected final boolean tryAcquire( int acquires) {

     final Thread current = Thread.currentThread();

     int c = getState();

     //如果当前重进入数为0,说明有机会取得锁

     if (c == 0 ) {

         //如果是第一个等待者，并且设置重进入数成功，那么当前线程获得锁

         if (isFirst(current) &&

             compareAndSetState( 0 , acquires)) {

             setExclusiveOwnerThread(current);

             return true ;

         }

     }

     //如果当前线程本身就持有锁，那么叠加重进入数，并且继续获得锁

     else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

         int nextc = c + acquires;

         if (nextc < 0 )

             throw new Error( "Maximum lock count exceeded" );

         setState(nextc);

         return true ;

      }

      //以上条件都不满足，那么线程进入等待队列。

      return false ;

}

Semaphore则是要记录当前还有多少次许可可以使用，到0，就需要等待，也就实现并发量的控制，Semaphore一开始设置许可数为1，实际上就是一把互斥锁。以下为Semaphore的FairSync实现

protected int tryAcquireShared( int acquires) {

     Thread current = Thread.currentThread();

     for (;;) {

          Thread first = getFirstQueuedThread();

          //如果当前等待队列的第一个线程不是当前线程，那么就返回-1表示当前线程需要等待

          if (first != null && first != current)

               return - 1 ;

          //如果当前队列没有等待者，或者当前线程就是等待队列第一个等待者，那么先取得semaphore还有几个许可证，并且减去当前线程需要的许可证得到剩下的值

          int available = getState();

          int remaining = available - acquires;

          //如果remining<0，那么反馈给AQS当前线程需要等待，如果remaining>0，并且设置availble成功设置成剩余数，那么返回剩余值(>0)，也就告知AQS当前线程拿到许可，可以继续执行。

          if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))

              return remaining;

     }

}

CountDownLatch闭锁则要保持其状态，在这个状态到达终止态之前，所有线程都会被park住，闭锁可以设定初始值，这个值的含义就是这 个闭锁需要被countDown()几次，因为每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一开始初始值为10的话，那么这 个闭锁需要被countDown()十次，才能够将这个初始值减到0，从而释放原子状态，让等待的所有线程通过。

//await时候执行，只查看当前需要countDown数量减为0了，如果为0，说明可以继续执行，否则需要park住，等待countDown次数足够，并且unpark所有等待线程

public int tryAcquireShared( int acquires) {

      return getState() == 0 ? 1 : - 1 ;

}

//countDown 时候执行，如果当前countDown数量为0，说明没有线程await，直接返回false而不需要唤醒park住线程，如果不为0，得到剩下需要 countDown的数量并且compareAndSet,最终返回剩下的countDown数量是否为0,供AQS判定是否释放所有await线程。

public boolean tryReleaseShared( int releases) {

     for (;;) {

          int c = getState();

          if (c == 0 )

              return false ;

          int nextc = c- 1 ;

          if (compareAndSetState(c, nextc))

              return nextc == 0 ;

    }

}

FutureTask需要记录任务的执行状态，当调用其实例的get方法时,内部类Sync会去调用AQS的 acquireSharedInterruptibly()方法，而这个方法会反向调用Sync实现的tryAcquireShared()方法，即让具 体实现类决定是否让当前线程继续还是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是检查状态，如果是 RUNNING状态那么让当前线程park。而跑任务的线程会在任务结束时调用FutureTask 实例的set方法（与等待线程持相同的实例），设定执行结果，并且通过unpark唤醒正在等待的线程，返回结果。

//get时待用，只检查当前任务是否完成或者被Cancel，如果未完成并且没有被cancel，那么告诉AQS当前线程需要进入等待队列并且park住

protected int tryAcquireShared( int ignore) {

      return innerIsDone()? 1 : - 1 ;

}

//判定任务是否完成或者被Cancel

boolean innerIsDone() {

     return ranOrCancelled(getState()) &&    runner == null ;

}

//get时调用，对于CANCEL与其他异常进行抛错

V innerGet( long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {

     if (!tryAcquireSharedNanos( 0 ,nanosTimeout))

         throw new TimeoutException();

     if (getState() == CANCELLED)

         throw new CancellationException();

     if (exception != null )

         throw new ExecutionException(exception);

     return result;

}

//任务的执行线程执行完毕调用（set(V v)）

void innerSet(V v) {

      for (;;) {

         int s = getState();

         //如果线程任务已经执行完毕，那么直接返回（多线程执行任务？）

         if (s == RAN)

             return ;

         //如果被CANCEL了，那么释放等待线程，并且会抛错

         if (s == CANCELLED) {

             releaseShared( 0 );

             return ;

         }

         //如果成功设定任务状态为已完成，那么设定结果，unpark等待线程(调用get()方法而阻塞的线程),以及后续清理工作（一般由FutrueTask的子类实现）

         if (compareAndSetState(s, RAN)) {

             result = v;

             releaseShared( 0 );

             done();

             return ;

         }

      }

}

以上4个AQS的使用是比较典型，然而有个问题就是这些状态存在哪里呢？并且是可以计数的。从以上4个example,我们可以很快得到答 案，AQS提供给了子类一个int state属性。并且暴露给子类getState()和setState()两个方法(protected)。这样就为上述状态解决了存储问 题，RetrantLock可以将这个state用于存储当前线程的重进入次数，Semaphore可以用这个state存储许可 数，CountDownLatch则可以存储需要被countDown的次数，而Future则可以存储当前任务的执行状态 (RUNING,RAN,CANCELL)。其他的Synchronizer存储他们的一些状态。

AQS留给实现者的方法主要有5个方法，其中tryAcquire,tryRelease和isHeldExclusively三个方法为需要独占 形式获取的synchronizer实现的，比如线程独占ReetranLock的Sync，而tryAcquireShared和 tryReleasedShared为需要共享形式获取的synchronizer实现。

ReentrantLock内部Sync类实现的是tryAcquire,tryRelease, isHeldExclusively三个方法(因为获取锁的公平性问题，tryAcquire由继承该Sync类的内部类FairSync和 NonfairSync实现)Semaphore内部类Sync则实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared(与 CountDownLatch相似，因为公平性问题，tryAcquireShared由其内部类FairSync和NonfairSync实现)。 CountDownLatch内部类Sync实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。FutureTask内部类 Sync也实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。

其实使用过一些JAVA synchronizer的之后，然后结合代码，能够很快理解其到底是如何做到各自的特性的，在把握了基本特性,即获取原子状态和释放原子状态，其实我们 自己也可以构造synchronizer。如下是一个LOCK API的一个例子，实现了一个先入先出的互斥锁。

public class FIFOMutex {

     private AtomicBoolean locked= new AtomicBoolean( false );

     private Queue<Thread> waiters= new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();

     public void lock(){

         boolean wasInterrupted= false ;

         Thread current=Thread.currentThread();

         waiters.add(current);

         //如果waiters的第一个等待者不为当前线程，或者当前locked的状态为被占用(true)

         //那么park住当前线程

         while (waiters.peek()!=current||!locked.compareAndSet( false , true )){

             LockSupport.park();

             //当线程被unpark时，第一时间检查当前线程是否被interrupted

             if (Thread.interrupted()){

                 wasInterrupted= true ;

             }

         }

         //得到锁后，从等待队列移除当前线程，如果，并且如果当前线程已经被interrupted，

         //那么再interrupt一下以便供外部响应。

         waiters.remove();

         if (wasInterrupted){

             current.interrupt();

         }

     }

     //unlock逻辑相对简单，设定当前锁为空闲状态，并且将等待队列中

     //的第一个等待线程唤醒

     public void unlock(){

         locked.set( false );

         LockSupport.unpark(waiters.peek());

     }

}

总结，JAVA lock机制对于整个java concurrent包的成员意义重大，了解这个机制对于使用java并发类有着很多的帮助，文章中可能存在着各种错误，请各位多多谅解并且能够提出来，谢谢。

文章参考：JDK 1.6 source
java 并发编程实践
JDK 1.6 API 文档