并发编程02——synchronized&Lock&AQS详解

╰+攻爆jí腚メ 2023-02-12 14:22 18阅读 0赞

**目录**

一、并发同步器-设计同步器的意义

Java锁体系：

二、synchronized使用与原理详解

Java线程生命状态：

2.1、synchronized使用示例：

2.2、synchronized底层原理

2.2.1、对象的内存布局

2.2.2、锁的膨胀升级过程

三、Lock

3.1、ReentrantLock源码

3.2、ReentrantReadWriterlock源码

四、AbstractQueuedSynchronizer(AQS)

juc并发编程包依赖于AQS的内部实现:

AQS框架-管理状态：

4.1、同步等待队列

4.2、条件等待队列

4.3、公平锁

4.4、非公平锁

4.5、重入锁

4.6、不可重入锁

4.7、读写锁

--------------------

# 一、并发同步器-设计同步器的意义 #

多线程编程中，有可能会出现多个线程同时访问同一个**共享**、**可变**资源的情况，这个资源我们称之其为**临界资源**；这种资源可能是：对象、变量、文件等。

共享：资源可以由多个线程同时访问。

可变：资源可以在其生命周期内被修改。

引出的问题： 由于线程执行的过程是不可控的，所以需要采用同步机制来协同对 对象可变状态的访问。

那么我们怎么解决线程并发安全问题？

实际上，**所有的并发模式**在解决线程安全问题时，采用的方案都是 **序列化访问临界资源** 。即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作 **同步互斥访问**。

**Java 中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：** **synchronized**  **和**  **Lock**

**同步器的本质就是加锁。**

加锁目的： **序列化访问临界资源** ，即同一时刻只能有一个线程访问临界资源( **同步互斥访问**)。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

不过有一点需要区别的是：当多个线程执行一个方法时，该**方法内部的局部变量**并**不是临界资源**，因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中，因此不具有共享性，不会导致线程安全问题。

## Java锁体系： ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

# 二、synchronized使用与原理详解  #

## Java线程生命状态： ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

**synchronized内置锁**是一种 **对象锁(锁的是对象而非引用。即使加在静态方法上成为类锁，类锁和一般对象锁也是互不干扰的。每个类只有一个类锁，类锁只是一个概念上的东西，并不是真实存在的。实际类锁使用时还是相当于是new了个对象，还是对象锁，但只都是同一个new对象，只有一个类锁。** )，作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的同步互斥访问，是可重入的。

加锁的方式：

1.  同步实例方法，锁是当前实例对象；会锁住整个对象实例。
2.  同步代码块，锁是括号里面的对象。只锁代码块。
3.  同步类方法（加在static静态方法上），锁是当前类对象，类对象只有一个，即如果两个线程调用同一个类锁，是能锁住的；

## ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][] ##

## 2.1、**synchronized使用示例：** ##

1、synchronized直接修饰普通方法，会把整个实例锁住。如果是new两个实例，则互不干扰。

/**
    * synchronized直接修饰普通方法，会把整个实例锁住。如果是new两个实例，则互不干扰。
    */
    public class MyObject {
    
        //synchronized修饰为同步方法,如果先调用method1,则4秒后才会调用method2	
        private synchronized void method1(){
    		try {
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    			Thread.sleep(4000);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    	}
    	
    
    	//如果不用synchronized修饰,则可以直接异步调用,没有影响
    	private void method2(){
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    	}
    
        public static void main(String[] args) {
    		//创建一个对象，t1走完才会走t2.
    		MyObject myObject=new MyObject();
    
            Thread t1=new Thread (new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				myObject.method1();
    			}
    		},"t1");
    		Thread t2=new Thread (new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				myObject.method1();
    			}
    		},"t2");
    		t1.start();
    		t2.start();
    
            //创建两个对象，t3和t1\t2互不干扰。
            MyObject myObject02=new MyObject();
            Thread t3=new Thread (new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				myObject02.method1();
    			}
    		},"t2");
    		t3.start();
    	}
    }

2、synchronized修饰的代码块传入this也属于**对象锁。但能减小**锁粒度，只同步代码块。**对于对象锁（this），如果是同一个实例，就会锁住、按顺序访问，但是如果是不同实例，就可以同时访问。多例的是锁不住的。**

//如下，m1和m2锁的不是一个对象，互不干扰。且只锁代码块。this是当前对象。
    class ThisLock2 {
        private final Object LOCK = new Object();
        
        public void m2() {
            synchronized (LOCK) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread());
                    Thread.sleep(10_000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        
        public void m1() {
            synchronized (this) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread());
                    Thread.sleep(10_000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

3、类锁相关

package my.mark.mybaibaoxiang.concurrent.jmmAndVolatile.lock;
 
 /**
 * @author twotiger-wxm.
 * 验证对象锁和类锁互不干扰，类锁只是一个概念上的东西，并不是真实存在的。
 * 就相当于下方示例中，
 * testClassLock.duixiangLock();和TestClassLock.classLock();
 * 调用的是两个实例。
 * 每个类只有一个类锁，多线程调用同一个类锁是能锁住的。
 */
 public class TestClassLock {
 
 public static synchronized void classLock(){
 int i=0;
 while (i++<500){
 System.out.println("类锁=="+i+Thread.currentThread().getName());
 /*try {
 Thread.sleep(500);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }*/
 }
 }
 
 public synchronized void duixiangLock(){
 int i=0;
 while (i++<500){
 System.out.println("对象锁=="+i+Thread.currentThread().getName());
 /*try {
 Thread.sleep(500);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }*/
 }
 }
 
 public static void main(String[] args) {
 TestClassLock testClassLock = new TestClassLock();
 Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
 @Override
 public void run() {
 testClassLock.duixiangLock();
 //TestClassLock.classLock();//TODO 如果两个线程都用类锁，是能锁住的，执行完一个才会执行另一个。
 }
 },"t-duixiang");
 
 Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
 @Override
 public void run() {
 TestClassLock.classLock();
 }
 },"t-class");
 t1.start();
 t2.start();
 }
 }

## 2.2、synchronized底层原理  ##

synchronized是基于JVM内置锁实现，JVM内置锁通过synchronized使用，通过内部对象 **Monitor(监视器锁)** 实现，基于进入与退出Monitor 对象实现方法与代码块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的 **Mutex lock（互斥锁）** 实现，它是一个重量级锁性能较低。当然， JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化， 如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight

Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销 ，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

**synchronized关键字被编译成字节码后会被翻译成** **monitorenter 和 monitorexit 两条指令分别在同步块逻辑代码的起始位置与结束位置。**

**这个enter和exit对应JMM内存模型内存交互的八大原子操作的lock和unlock。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

**每个对象**都有**一个自己的**Monitor( **管程，监视器锁** )，加锁过程如下图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

**很多线程请求过来之后，会抢monitor，抢到的去执行。抢不到的进入waitSet等待队列。Exit释放锁释放monitor之后，通知队列里的去抢锁。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

那么有个问题来了，我们知道synchronized加锁加在对象上，对象是如何记录锁状态的呢？

答案是**锁状态是被记录在每个对象的对象头（Mark Word）中**，下面我们一起认识一下对象的内存布局 对象的内存布局。

### 2.2.1、对象的内存布局 ###

**Java内存区域：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

1.  **对象头：比如 hash码，对象所属的年代，对象锁，锁状态标志，偏向锁（线程）ID，偏向时间，数组长度（数组对象）等。**
2.  **实例数据：即创建对象时，对象中成员变量，方法等。**
3.  **对齐填充：对象的大小必须是8字节的整数倍。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

实例对象内存中存储在哪？

**如果实例对象存储在堆区时：实例对象内存存在堆区，实例的引用存在栈上，实例的元数据class存在方法区或者元空间。**

**但实例对象不一定是存在堆区的，如果实例对象没有线程逃逸行为，则会直接在栈上。参见逃逸分析。**

**new对象与类元数据比较：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

1、每new一个对象都有。但32位和64位的对象头记录不一样。

2、元数据指针指向元空间的类。

3、new出来的对象跟元空间的类元数据，结构几乎是一样的。

**对象头：**

HotSpot虚拟机的 对象头 包括两部分信息， 第一部分是 “Mark Word ”，用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳 等等，这部分数据的长度在32位和

64位的虚拟机（暂不考虑开启压缩指针的场景）中分别为32个和64个Bits，官方称它为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的限度，但是**对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本**，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个**非固定的数据结构**以便在极小的空间内  存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机 中对象未被锁定的状态下，MarkWord的32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码（HashCode），4Bits用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志位，1Bit固定为0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示：

![20200527102141830.png][]

但是如果对象是数组类型，则需要三个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认**数组的大小**，所以用一块来记录数组长度。

**Mark Word:**

对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，但是考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的 数据结构 以便在极小的空间内存  存储尽量多的数据，它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说，Mark Word会随着程序的运行发生变化，变化状态如下（32位虚拟机）：

**以32位JVM中存储内容为例:她的锁有四种状态，由下往上进行膨胀升级。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

jdk源码中说明：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

### 2.2.2、锁的膨胀升级过程  ###

JDK1.6版本之后对synchronized的实现进行了各种优化，如自旋锁、偏向锁和轻量级锁。并默认开启偏向锁。

**开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0**

**关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking**

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

**JVM锁膨胀升级1：无锁到偏向锁到轻量级锁**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 13][]

**JVM锁膨胀升级2：无锁-轻量级锁-重量级锁**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 14][]

下图为 **锁的升级全过程** ：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 15][]

**偏向锁**

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在**大多数情况**下，**锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得**，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，**当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作**，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

**轻量级锁**

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是**线程交替执行**同步块的场合，如果存在**同一时间访问同一锁**的场合，**就会**导致轻量级锁**膨胀**为重量级锁。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 16][]

**自旋锁**

轻量级锁失败后，虚拟机**为了避免线程 真**实地在操作系统层面**挂起**，还会进行一项称为**自旋锁的优化手段**。这是基于在大多数情况下，线程**持有锁的时间都不会太长**，如果**直接挂起操作系统层面的线程**可能**会得不偿失**，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。

最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

**锁消除**

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，**去除不可能存在共享资源竞争的锁**，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，如StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

**逃逸分析**

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

**一**、同步省略。如果**一个对象被发现只能从一个线程被访问到**，那么对于这个对象的操作可以**不考虑同步**。（ **synchronized作为对象锁，锁范围是同一个对象，两个对象之间是锁不住的。一般通过单例或者static锁成类锁来保证同一个对象。** ）

**二**、将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。

**三**、分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。

是不是所有的对象和数组都会在堆内存分配空间？

不一定

在Java代码运行时，通过JVM参数可指定是否开启逃逸分析，

\-XX:+DoEscapeAnalysis  ： 表示开启逃逸分析 ;

\- XX:-DoEscapeAnalysis  ： 表示关 闭逃逸分析。

从jdk 1.7开始已经默认开启逃逸分析，如需关闭，需要指定 -XX: -DoEscapeAnalysis

关于逃逸分析的案例论证见如下Git源码百宝箱：

package my.mark.mybaibaoxiang.concurrent.jmmAndVolatile.lock;
 
 /**
 * @author twotiger-wxm.
 * 逃逸分析验证
 */
 public class StackAllocTest {
 
 /**
 * 进行两种测试
 * 关闭逃逸分析，同时调大堆空间，避免堆内GC的发生，如果有GC信息将会被打印出来
 * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 *
 * 开启逃逸分析
 * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 *
 * 执行main方法后
 * jps 查看进程
 * jmap -histo 进程ID
 * 关闭逃逸分析的，显示有50万个实例。开启逃逸分析的只有八万多个。即开启逃逸分析很多对象没放堆。
 */
 
 public static void main(String[] args) {
 long start = System.currentTimeMillis();
 for (int i = 0; i < 500000; i++) {
 alloc();
 }
 long end = System.currentTimeMillis();
 //查看执行时间
 System.out.println("cost-time " + (end - start) + " ms");
 try {
 Thread.sleep(100000);
 } catch (InterruptedException e1) {
 e1.printStackTrace();
 }
 }
 
 
 private static TulingStudent alloc() {
 //Jit（即时编译just-in-time）编译时会对代码进行 逃逸分析
 //并不是所有对象存放在堆区，有的一部分存在线程栈空间
 TulingStudent student = new TulingStudent();
 return student;
 }
 
 static class TulingStudent {
 private String name;
 private int age;
 }
 }

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 17][]

# 三、Lock #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 18][]

以下代码相关见git百宝箱。

## 3.1、ReentrantLock源码 ##

package my.mark.mybaibaoxiang.concurrent.jmmAndVolatile.lock.aqs;
 /*
 * ORACLE PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
 */
 
 /*
 *
 *
 *
 *
 *
 * Written by Doug Lea with assistance from members of JCP JSR-166
 * Expert Group and released to the public domain, as explained at
 * http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
 */
 
 import java.util.Collection;
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 import java.util.concurrent.locks.Condition;
 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 
 /**
 * A reentrant mutual exclusion {@link Lock} with the same basic
 * behavior and semantics as the implicit monitor lock accessed using
 * {@code synchronized} methods and statements, but with extended
 * capabilities.
 *
 * A {@code ReentrantLock} is owned by the thread last
 * successfully locking, but not yet unlocking it. A thread invoking
 * {@code lock} will return, successfully acquiring the lock, when
 * the lock is not owned by another thread. The method will return
 * immediately if the current thread already owns the lock. This can
 * be checked using methods {@link #isHeldByCurrentThread}, and {@link
 * #getHoldCount}.
 *
 * The constructor for this class accepts an optional
 * fairness parameter. When set {@code true}, under
 * contention, locks favor granting access to the longest-waiting
 * thread. Otherwise this lock does not guarantee any particular
 * access order. Programs using fair locks accessed by many threads
 * may display lower overall throughput (i.e., are slower; often much
 * slower) than those using the default setting, but have smaller
 * variances in times to obtain locks and guarantee lack of
 * starvation. Note however, that fairness of locks does not guarantee
 * fairness of thread scheduling. Thus, one of many threads using a
 * fair lock may obtain it multiple times in succession while other
 * active threads are not progressing and not currently holding the
 * lock.
 * Also note that the untimed {@link #tryLock()} method does not
 * honor the fairness setting. It will succeed if the lock
 * is available even if other threads are waiting.
 *
 * It is recommended practice to always immediately
 * follow a call to {@code lock} with a {@code try} block, most
 * typically in a before/after construction such as:
 *
 * <pre> {@code
 * class X {
 * private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 * // ...
 *
 * public void m() {
 * lock.lock(); // block until condition holds
 * try {
 * // ... method body
 * } finally {
 * lock.unlock()
 * }
 * }
 * }}</pre>
 *
 * In addition to implementing the {@link Lock} interface, this
 * class defines a number of {@code public} and {@code protected}
 * methods for inspecting the state of the lock. Some of these
 * methods are only useful for instrumentation and monitoring.
 *
 * Serialization of this class behaves in the same way as built-in
 * locks: a deserialized lock is in the unlocked state, regardless of
 * its state when serialized.
 *
 * This lock supports a maximum of 2147483647 recursive locks by
 * the same thread. Attempts to exceed this limit result in
 * {@link Error} throws from locking methods.
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 * 悲观锁
 */
 public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
 private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
 /**
 * 内部调用AQS的动作，都基于该成员属性实现
 */
 private final Sync sync;
 
 /**
 * ReentrantLock锁同步操作的基础类,继承自AQS框架.
 * 该类有两个继承类，1、NonfairSync 非公平锁，2、FairSync公平锁
 */
 abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
 
 /**
 * 加锁的具体行为由子类实现
 */
 abstract void lock();
 
 /**
 * 尝试获取非公平锁
 */
 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
 //acquires = 1
 final Thread current = Thread.currentThread();
 int c = getState();
 /**
 * 不需要判断同步队列（CLH）中是否有排队等待线程
 * 判断state状态是否为0，不为0可以加锁
 */
 if (c == 0) {
 //unsafe操作，cas修改state状态
 if (compareAndSetState(0, acquires)) {
 //独占状态锁持有者指向当前线程
 setExclusiveOwnerThread(current);
 return true;
 }
 }
 /**
 * state状态不为0，判断锁持有者是否是当前线程，
 * 如果是当前线程持有 则state+1
 */
 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
 int nextc = c + acquires;
 if (nextc < 0) // overflow
 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 setState(nextc);
 return true;
 }
 //加锁失败
 return false;
 }
 
 /**
 * 释放锁
 */
 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;
 }
 
 /**
 * 判断持有独占锁的线程是否是当前线程
 */
 protected final boolean isHeldExclusively() {
 return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
 }
 
 //返回条件对象
 final ConditionObject newCondition() {
 return new ConditionObject();
 }
 
 
 final Thread getOwner() {
 return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
 }
 
 final int getHoldCount() {
 return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
 }
 
 final boolean isLocked() {
 return getState() != 0;
 }
 
 /**
 * Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).
 */
 private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
 throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
 s.defaultReadObject();
 setState(0); // reset to unlocked state
 }
 }
 
 /**
 * 非公平锁
 */
 static final class NonfairSync extends Sync {
 private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
 /**
 * 加锁行为
 */
 final void lock() {
 /**
 * 第一步：直接尝试加锁
 * 与公平锁实现的加锁行为一个最大的区别在于，此处不会去判断同步队列(CLH队列)中
 * 是否有排队等待加锁的节点，上来直接加锁（判断state是否为0,CAS修改state为1）
 * ，并将独占锁持有者 exclusiveOwnerThread 属性指向当前线程
 * 如果当前有人占用锁，再尝试去加一次锁
 */
 if (compareAndSetState(0, 1))
 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
 else
 //AQS定义的方法,加锁
 acquire(1);
 }
 
 /**
 * 父类AbstractQueuedSynchronizer.acquire()中调用本方法
 */
 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 return nonfairTryAcquire(acquires);
 }
 }
 
 /**
 * 公平锁
 */
 static final class FairSync extends Sync {
 private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
 
 final void lock() {
 acquire(1);
 }
 
 /**
 * 重写aqs中的方法逻辑
 * 尝试加锁，被AQS的acquire()方法调用
 */
 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 final Thread current = Thread.currentThread();
 int c = getState();
 if (c == 0) {
 /**
 * 与非公平锁中的区别，需要先判断队列当中是否有等待的节点
 * 如果没有则可以尝试CAS获取锁
 */
 if (!hasQueuedPredecessors() &&
 compareAndSetState(0, acquires)) {
 //独占线程指向当前线程
 setExclusiveOwnerThread(current);
 return true;
 }
 }
 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
 int nextc = c + acquires;
 if (nextc < 0)
 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 setState(nextc);
 return true;
 }
 return false;
 }
 }
 
 /**
 * 默认构造函数，创建非公平锁对象
 */
 public ReentrantLock() {
 sync = new NonfairSync();
 }
 
 /**
 * 根据要求创建公平锁或非公平锁
 */
 public ReentrantLock(boolean fair) {
 sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
 }
 
 /**
 * 加锁
 */
 public void lock() {
 sync.lock();
 }
 
 /**
 * 尝试获去取锁，获取失败被阻塞，线程被中断直接抛出异常
 */
 public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
 sync.acquireInterruptibly(1);
 }
 
 /**
 * 尝试加锁
 */
 public boolean tryLock() {
 return sync.nonfairTryAcquire(1);
 }
 
 /**
 * 指定等待时间内尝试加锁
 */
 public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
 throws InterruptedException {
 return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
 }
 
 /**
 * 尝试去释放锁
 */
 public void unlock() {
 sync.release(1);
 }
 
 /**
 * 返回条件对象
 */
 public Condition newCondition() {
 return sync.newCondition();
 }
 
 /**
 * 返回当前线程持有的state状态数量
 */
 public int getHoldCount() {
 return sync.getHoldCount();
 }
 
 /**
 * 查询当前线程是否持有锁
 */
 public boolean isHeldByCurrentThread() {
 return sync.isHeldExclusively();
 }
 
 /**
 * 状态表示是否被Thread加锁持有
 */
 public boolean isLocked() {
 return sync.isLocked();
 }
 
 /**
 * 是否公平锁？是返回true 否则返回 false
 */
 public final boolean isFair() {
 return sync instanceof FairSync;
 }
 
 /**
 * Returns the thread that currently owns this lock, or
 * {@code null} if not owned. When this method is called by a
 * thread that is not the owner, the return value reflects a
 * best-effort approximation of current lock status. For example,
 * the owner may be momentarily {@code null} even if there are
 * threads trying to acquire the lock but have not yet done so.
 * This method is designed to facilitate construction of
 * subclasses that provide more extensive lock monitoring
 * facilities.
 *
 * @return the owner, or {@code null} if not owned
 */
 protected Thread getOwner() {
 return sync.getOwner();
 }
 
 /**
 * 判断队列当中是否有在等待获取锁的Thread节点
 */
 public final boolean hasQueuedThreads() {
 return sync.hasQueuedThreads();
 }
 
 /**
 * 当前线程是否在同步队列中等待
 */
 public final boolean hasQueuedThread(Thread thread) {
 return sync.isQueued(thread);
 }
 
 /**
 * Returns an estimate of the number of threads waiting to
 * acquire this lock. The value is only an estimate because the number of
 * threads may change dynamically while this method traverses
 * internal data structures. This method is designed for use in
 * monitoring of the system state, not for synchronization
 * control.
 *
 * @return the estimated number of threads waiting for this lock
 */
 public final int getQueueLength() {
 return sync.getQueueLength();
 }
 
 /**
 * 返回Thread集合，排队中的所有节点Thread会被返回
 */
 protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {
 return sync.getQueuedThreads();
 }
 
 /**
 * 条件队列当中是否有正在等待的节点
 */
 public boolean hasWaiters(Condition condition) {
 if (condition == null)
 throw new NullPointerException();
 if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
 throw new IllegalArgumentException("not owner");
 return sync.hasWaiters((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
 }
 
 /**
 * Returns an estimate of the number of threads waiting on the
 * given condition associated with this lock. Note that because
 * timeouts and interrupts may occur at any time, the estimate
 * serves only as an upper bound on the actual number of waiters.
 * This method is designed for use in monitoring of the system
 * state, not for synchronization control.
 *
 * @param condition the condition
 * @return the estimated number of waiting threads
 * @throws IllegalMonitorStateException if this lock is not held
 * @throws IllegalArgumentException if the given condition is
 * not associated with this lock
 * @throws NullPointerException if the condition is null
 */
 public int getWaitQueueLength(Condition condition) {
 if (condition == null)
 throw new NullPointerException();
 if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
 throw new IllegalArgumentException("not owner");
 return sync.getWaitQueueLength((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
 }
 
 /**
 * Returns a collection containing those threads that may be
 * waiting on the given condition associated with this lock.
 * Because the actual set of threads may change dynamically while
 * constructing this result, the returned collection is only a
 * best-effort estimate. The elements of the returned collection
 * are in no particular order. This method is designed to
 * facilitate construction of subclasses that provide more
 * extensive condition monitoring facilities.
 *
 * @param condition the condition
 * @return the collection of threads
 * @throws IllegalMonitorStateException if this lock is not held
 * @throws IllegalArgumentException if the given condition is
 * not associated with this lock
 * @throws NullPointerException if the condition is null
 */
 protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) {
 if (condition == null)
 throw new NullPointerException();
 if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
 throw new IllegalArgumentException("not owner");
 return sync.getWaitingThreads((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
 }
 
 /**
 * Returns a string identifying this lock, as well as its lock state.
 * The state, in brackets, includes either the String {@code "Unlocked"}
 * or the String {@code "Locked by"} followed by the
 * {@linkplain Thread#getName name} of the owning thread.
 *
 * @return a string identifying this lock, as well as its lock state
 */
 public String toString() {
 Thread o = sync.getOwner();
 return super.toString() + ((o == null) ?
 "[Unlocked]" :
 "[Locked by thread " + o.getName() + "]");
 }
 }

## 3.2、ReentrantReadWriterlock源码 ##

见git百宝箱

# 四、AbstractQueuedSynchronizer(AQS)  #

并发之父 *Doug Lea镇位*

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 19][]

生平不识 *Doug Lea* ，学懂并发也枉然

Java并发编程核心在于java.concurrent.util包，而juc当中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这个行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer简称AQS，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，是一个依赖状态( state )的同步器。

AQS具备特性

• 阻塞等待队列

• 共享/独占

• 公平/非公平

• 可重入

• 允许中断

AQS中用了大量的死循环，循环中做线程的暂停中断。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 20][]

**独占也叫悲观，共享也叫乐观。**

### **juc并发编程包依赖于AQS的内部实现:** ###

例如Java.concurrent.util当中同步器的实现如Lock,Latch,Barrier等，都是基于AQS框架实现

*  一般通过定义内部类Sync继承AQS。
 *  将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法。

### AQS框架-管理状态： ###

AQS内部维护属性 volatile  int state (32位)

*  state表示资源的可用状态

State三种访问方式  getState()、setState()、compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式

*  Exclusive-独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock 
 *  Share-共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch

AQS定义两种队列

*  同步等待队列 
 *  条件等待队列

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。**自定义同步器实现**时**主要实现以下几种**方法：

1.  isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。 
2.  tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。 
3.  tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。 
4.  tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。 
5.  tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

## **4.1、同步等待队列**  ##

AQS当中的**同步等待队列**也称**CLH队列**，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先入先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由**原自旋机制改为阻塞机制**。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 21][]

## 4.2、条件等待队列  ##

Condition是一个多线程间协调通信的工具类，使得某个，或者某些线程一起等待某个条件（Condition）,只有当该条件具备时，这些等待线程才会被唤醒，从而重新争夺锁。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 22][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 23][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 24][]

## 4.3、公平锁 ##

公平和非公平锁的区别：获取锁失败时如何处理？

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 25][]

## 4.4、非公平锁 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 26][]

## 4.5、重入锁 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 27][]

## 4.6、不可重入锁 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70 28][]

## 4.7、读写锁 ##

**写锁(独享锁、排他锁)**，是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得写锁的线程即能读数据又能修改数据。

**读锁(共享锁)**是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获得读锁的线程只能读数据，不能修改数据。

AQS中state字段（int类型，32位），此处state上分别描述读锁和写锁的数量于是将state变量“按位切割”切分成了两个部分：

1.  高16位表示读锁状态（读锁个数）
2.  低16位表示写锁状态（写锁个数）

![20200528090521555.png][]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200527192421574.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0d3htaW5n,size_16,color_FFFFFF,t_70
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