ReentrantLock源码分析及AQS原理
ReentrantLock源码分析
ReentrantLock(可重入互斥锁)。可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。
我们从构造函数开始逐步分析。
ReentrantLock的两个构造函数，默认使用的是非公平sync对象
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
看下继承自Sync的非公平同步类NonfairSync
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* 非公平锁：线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾排队等待
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//CAS
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置所有者线程为当前线程
else
acquire(1);//失败后尝试获取锁。
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
compareAndSetState(0, 1)。0是期望值，1是更新值。只要期待值与当前同步状态state相等，则把state更新为update(更新值)。
这里state就是当前线程获得锁的状态。先看下state的说明。
private volatile int state;//state是Volatile修饰的，用于保证一定的可见性和有序性。
- State初始化的时候为0，表示没有任何线程持有锁。
- 当有线程持有该锁时，值就会在原来的基础上+1，同一个线程多次获得锁时，就会多次+1，这里就是可重入的概念。
- 解锁也是对这个字段-1，一直到0，此线程对锁释放。
所以此处的compareAndSetState(0, 1)就是为了判断当前线程state是否为0，是0则获取锁成功，并更新state为1.
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
如果获取锁失败呢？也就是当前线程的state不为0，那就会执行acquire(1);
//arg代表获取锁的次数
public final void acquire(int arg) {
//tryAcquire(arg)为true，代表获取锁成功(当前线程为独占线程)。
//获取锁失败后，再执行acquireQueued将线程排队。
if (!tryAcquire(arg) &&
//addWaiter方法其实就是把对应的线程以Node的数据结构形式加入到双端队列里，返回的是一个包含该线程的Node。而这个Node会作为参数，进入到acquireQueued方法中。acquireQueued方法可以对排队中的线程进行“获锁”操作。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
//中断当前线程
selfInterrupt();
}
这几个方法都是由ReentrantLock中的(非)公平同步类调用，而(Non)fairSync继承自Sync类，Sync类继承自AQS，所以这些方法都在AQS中定义。例如上面的tryAcquire方法就被ReentrantLock重写了，直接调用AQS的tryAcquire会抛出UnsupportedOperationException异常。
在这里插入图片描述
可以看到ReentrantLock中的公平同步类和非公平同步类都重写了tryAcquire。
所以acquire调用的就是NonfairSync中已经重写了的tryAcquire
//NonfairSync类里最后一个方法，当前acquires=1
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//当前state值
int c = getState();
//如果没有线程获取锁
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//获取锁成功，并将当前线程设置为独占线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果当前线程为独占线程，则将state加1。
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
查看addWaiter方法前，要先来看下Node节点，也就是未获取到锁的线程加入到了哪种队列中去。
这就涉及到AQS核心思想：如果被请求的共享资源空闲，那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，将共享资源设置为锁定状态；如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体---虚拟双向队列(FIFO)---实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
AQS使用一个Volatile的int类型的state来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作，通过CAS完成对State值的修改。
AQS中基本的数据结构——Node，虚拟双向队列(FIFO)中的节点。
static final class Node {
/** 标志线程以共享/独占方式等待锁 */
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** 表示线程获取锁的请求已经取消 */
static final int CANCELLED = 1;
/** 表示线程已经准备好，就等资源释放了(被唤醒了) */
static final int SIGNAL = -1;
/** 表示节点在等待队列中，节点线程等待唤醒 */
static final int CONDITION = -2;
/** 当前线程处在SHARED情况下，该字段才会使用(其他操作介入，也要确保传播继续) */
static final int PROPAGATE = -3;
//当前节点在队列中的状态
volatile int waitStatus;
//前驱指针
volatile Node prev;
//后继指针
volatile Node next;
//表示处于该节点的线程
volatile Thread thread;
//指向下一个处于CONDITION状态的节点
Node nextWaiter;
/** 返回前驱节点，没有则抛出空指针异常 */
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
/** 几个Node构造函数 */
//用来初始化头节点或SHARED标志
Node() {
}
//用于addWaiter方法
Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
//用于Condition
Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
//队列头节点
private transient volatile Node head;
//队列尾节点
private transient volatile Node tail;
现在再来看addWaiter方法是如何把线程加入到双端队列的。
//这里的mode就是Node.EXCLUSIVE，表示独占模式
private Node addWaiter(Node mode) {
//通过当前的线程和锁模式新建一个节点。
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//pred指向尾节点tail
Node pred = tail;
//如果尾节点不为空，则将当前节点插入到尾节点后面(设为尾节点)，并返回node
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//如果Pred指针是Null（说明等待队列中没有元素），或者当前Pred指针和Tail指向的位置不同（说明已经被别的线程修改），则进入enq初始化head节点，并将node设为尾节点。
enq(node);
return node;
}
注意双向链表中，第一个节点(头节点)为虚节点，其实并不存储任何信息，只是占位。真正的第一个有数据的节点，是在第二个节点开始的。
回到上面的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))方法，acquireQueued会把放入队列中的线程不断去获取锁，直到获取成功或者不再需要获取（中断）。
那么队列中的线程什么时候可以获取到锁？一直获取不到又会怎样呢？
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标记是否成功拿到资源
boolean failed = true;
try {
// 标记等待过程中是否中断过
boolean interrupted = false;
// 开始自旋，要么获取锁，要么中断
for (;;) {
// 获取当前节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果p是头结点，说明当前节点在真实数据队列的首部，就尝试获取锁（别忘了头结点是虚节点）
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 获取锁成功，头指针移动到当前node
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 说明p为头节点且当前没有获取到锁（可能是非公平锁被抢占了）或者是p不为头结点，这个时候就要判断当前node是否要被阻塞（被阻塞条件：前驱节点的waitStatus为-1），防止无限循环浪费资源。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)//未成功拿到资源，设置当前节点状态为CANCELLED
cancelAcquire(node);
}
}
// 靠前驱节点判断当前线程是否应该被阻塞，true阻塞，false不阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 获取前驱结点的节点状态
int ws = pred.waitStatus;
// 说明前驱结点处于唤醒状态，此时需要阻塞当前节点，返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 通过枚举值我们知道waitStatus>0是取消状态
if (ws > 0) {
do {
// 循环向前查找取消节点，把取消节点从队列中剔除
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
//直到前面某一个节点非取消节点，将非取消节点连接当前节点
pred.next = node;
} else {//前驱节点waitStatus为0或-3。
// 设置前驱节点等待状态为SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
//parkAndCheckInterrupt主要用于挂起当前线程，阻塞调用栈，返回当前线程的中断状态。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
前面的两个问题得到解决：只要前驱节点是头节点，就尝试获取锁。前驱节点不是头节点，或获取锁失败，则判断是否需要阻塞当前线程。如果前驱节点状态是SIGNAL，表明前驱节点准备获取资源，所以当前节点阻塞；如果前驱节点是取消状态CANCELLED(不再获取资源)，移除所有取消状态的前驱节点，继续自旋尝试获取锁；如果前驱节点waitStatus为0(默认值)或-3，则更改前驱节点状态为SIGNAL，继续自旋。
参考链接 ： 美团技术团队：从ReentrantLock的实现看AQS的原理及应用
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