JAVA LOCK代码浅析

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。

 

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