Java并发编程原理与实战十七：AQS实现重入锁

一、什么是重入锁

可重入锁就是当前持有锁的线程能够多次获取该锁，无需等待

二、什么是AQS

AQS是JDK1.5提供的一个基于FIFO等待队列实现的一个用于实现同步器的基础框架，这个基础框架的重要性可以这么说，JCU包里面几乎所有的有关锁、多线程并发以及线程同步器等重要组件的实现都是基于AQS这个框架。AQS的核心思想是基于volatile int state这样的一个属性同时配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前锁的状态进行修改。当state的值为0的时候，标识改Lock不被任何线程所占有。

三、ReentrantLock锁的架构

ReentrantLock锁主要包括一个Sync的内部抽象类以及Sync抽象类的两个实现类

AQS的父类AbstractOwnableSynchronizer（后面简称AOS），AOS主要提供一个exclusiveOwnerThread属性，用于关联当前持有该锁的线程。另外、Sync的两个实现类分别是NonfairSync和FairSync

四、AQS的等待队列

假设目前有三个线程Thread1、Thread2、Thread3同时去竞争锁，如果结果是Thread1获取了锁，Thread2和Thread3进入了等待队列，那么他们的样子如下：

AQS的等待队列基于一个双向链表实现的，HEAD节点不关联线程，后面两个节点分别关联Thread2和Thread3，他们将会按照先后顺序被串联在这个队列上。这个时候如果后面再有线程进来的话将会被当做队列的TAIL。

1、入队列

当这三个线程同时去竞争锁的时候发生了什么

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

三个线程同时进来，他们会首先会通过CAS去修改state的状态，如果修改成功，那么竞争成功，因此这个时候三个线程只有一个CAS成功，其他两个线程失败，也就是tryAcquire返回false。

接下来，addWaiter会把将当前线程关联的EXCLUSIVE类型的节点入队列：

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

如果队尾节点不为null，则说明队列中已经有线程在等待了，那么直接入队尾。对于我们举的例子，这边的逻辑应该是走enq，也就是开始队尾是null，其实这个时候整个队列都是null的

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;
            }
        }
    }
}

如果Thread2和Thread3同时进入了enq，同时t==null，则进行CAS操作对队列进行初始化，这个时候只有一个线程能够成功，然后他们继续进入循环，第二次都进入了else代码块，这个时候又要进行CAS操作，将自己放在队尾，因此这个时候又是只有一个线程成功，我们假设是Thread2成功，哈哈，Thread2开心的返回了，Thread3失落的再进行下一次的循环，最终入队列成功，返回自己。

2、并发问题

基于上面两段代码，他们是如何实现不进行加锁，当有多个线程，或者说很多很多的线程同时执行的时候，怎么能保证最终他们都能够乖乖的入队列而不会出现并发问题的呢？这也是这部分代码的经典之处，多线程竞争，热点、单点在队列尾部，多个线程都通过【CAS+死循环】这个free-lock黄金搭档来对队列进行修改，每次能够保证只有一个成功，如果失败下次重试，如果是N个线程，那么每个线程最多loop N次，最终都能够成功。

3、挂起等待的线程

节点入队列之后会继续发生什么呢？那就要看看acquireQueued是怎么实现的了，为保证文章整洁，代码我就不贴了，同志们自行查阅，我们还是以上面的例子来看看，Thread2和Thread3已经被放入队列了，进入acquireQueued之后：

对于Thread2来说，它的prev指向HEAD，因此会首先再尝试获取锁一次，如果失败，则会将HEAD的waitStatus值为SIGNAL，下次循环的时候再去尝试获取锁，如果还是失败，且这个时候prev节点的waitStatus已经是SIGNAL，则这个时候线程会被通过LockSupport挂起。
对于Thread3来说，它的prev指向Thread2，因此直接看看Thread2对应的节点的waitStatus是否为SIGNAL，如果不是则将它设置为SIGNAL，再给自己一次去看看自己有没有资格获取锁，如果Thread2还是挡在前面，且它的waitStatus是SIGNAL，则将自己挂起。

如果Thread1死死的握住锁不放，那么Thread2和Thread3现在的状态就是挂起状态啦，而且HEAD，以及Thread的waitStatus都是SIGNAL，尽管他们在整个过程中曾经数次去尝试获取锁，但是都失败了，失败了不能死循环呀，所以就被挂起了。当前状态如下：

4、锁释放-等待线程唤起

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

首先，Thread1会修改AQS的state状态，加入之前是1，则变为0，注意这个时候对于非公平锁来说是个很好的插入机会，举个例子，如果锁是公平锁，这个时候来了Thread4，那么这个锁将会被Thread4抢去。。。

我们继续走常规路线来分析，当Thread1修改完状态了，判断队列是否为null，以及队头的waitStatus是否为0，如果waitStatus为0，说明队列无等待线程，按照我们的例子来说，队头的waitStatus为SIGNAL=-1，因此这个时候要通知队列的等待线程，可以来拿锁啦，这也是unparkSuccessor做的事情，unparkSuccessor主要做三件事情：

将队头的waitStatus设置为0.
通过从队列尾部向队列头部移动，找到最后一个waitStatus<=0的那个节点，也就是离队头最近的没有被cancelled的那个节点，队头这个时候指向这个节点。
将这个节点唤醒，其实这个时候Thread1已经出队列了。

还记得线程在哪里挂起的么，上面说过了，在acquireQueued里面，我没有贴代码，自己去看哦。这里我们也大概能理解AQS的这个队列为什么叫FIFO队列了，因此每次唤醒仅仅唤醒队头等待线程，让队头等待线程先出。

五、AQS实现一个重入锁

package com;
 
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
 
public class MyLock implements Lock {
    private Helper helper = new Helper();
 
    private class Helper extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            // 第一个线程进来，可以获取锁
            // 第二个线程进来，无法获取锁，返回false
            Thread thread = Thread.currentThread();
            // 判断是否为第一个线程进来
            int state = getState();
            if (state == 0) {
                if (compareAndSetState(0, arg)) {// 如果当前状态值等于预期值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值
                    // 设置当前线程
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                    return true;
                }
            } else if(getExclusiveOwnerThread() == thread) { // 允许重入锁,当前线程和当前保存的线程是同一个线程
                setState(state + 1);
                return true;
            }
            return false;
        }
 
        /***
         * 释放锁
              此方法总是由正在执行释放的线程调用。
         */
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            // 锁的获取和释放肯定是一一对应的，那么调用此方法的线程一定是当前线程
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
                throw new RuntimeException();
            }
            
            boolean flag = false;
            int state = getState() -arg;
            if (state == 0) {// 当前锁的状态正确
                setExclusiveOwnerThread(null);
                flag = true;
            }
            setState(state);
            return flag;
        }
 
        protected Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }
 
    @Override
    public void lock() {
        // 独占锁
        helper.acquire(1);
    }
 
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        // 可中断
        helper.acquireInterruptibly(1);
    }
 
    @Override
    public boolean tryLock() {
        return helper.tryAcquire(1);
    }
 
    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return helper.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }
 
    @Override
    public void unlock() {
        helper.release(1);
    }
 
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return helper.newCondition();
    }
}

六、羊群效应

当有多个线程去竞争同一个锁的时候，假设锁被某个线程占用，那么如果有成千上万个线程在等待锁，有一种做法是同时唤醒这成千上万个线程去去竞争锁，这个时候就发生了羊群效应，海量的竞争必然造成资源的剧增和浪费，因此终究只能有一个线程竞争成功，其他线程还是要老老实实的回去等待。AQS的FIFO的等待队列给解决在锁竞争方面的羊群效应问题提供了一个思路：保持一个FIFO队列，队列每个节点只关心其前一个节点的状态，线程唤醒也只唤醒队头等待线程。其实这个思路已经被应用到了分布式锁的实践中，见：Zookeeper分布式锁的改进实现方案。