如何实现一个锁

实现一个锁，主要需要考虑2个问题

1. 如何线程安全的修改锁状态位？
2. 得不到锁的线程，如何排队？

带着这2个问题，我们看一下JUC中的ReentrantLock是如何做的？

ReentrantLock锁实现

ReentrantLock类的大部分逻辑，都是其均继承自AQS的内部类Sync实现的

如何线程安全的修改锁状态位？

锁状态位的修改主要通过，内部类Sync实现的

    public abstract class AbstractQueuedSynchronizer{
         //锁状态标志位：volatile变量（多线程间通过此变量判断锁的状态）
          private volatile int state;
         
          protected final int getState() {
                 return state;
          }

 
         protected final void setState(int newState) {
              state = newState;
         }

    }
  
    abstract static  Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    
        
         final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            //volatile读，确保了锁状态位的内存可见性
            int c = getState();
            //锁还没有被其他线程占用
            if (c == 0) {
                //此时，如果多个线程同时进入，CAS操作会确保，只有一个线程修改成功
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //设置当前线程拥有独占访问权
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //当前线程就是拥有独占访问权的线程，即锁重入
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //重入锁计数+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) //溢出
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                //只有获取锁的线程，才能进入此段代码，因此只需要一个volatile写操作，确保其内存可见性即可
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
        
        //只有获取锁的线程才会执行此方法，因此只需要volatile读写确保内存可见性即可
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            //锁计数器-1
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //锁计数器为0，说明锁被释放
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }
    }
   

从代码中，我们可以发现线程安全的关键在于：<font color="#dd0000">volatile变量</font>和<font color="#dd0000">CAS原语</font>的配合使用

得不到锁的线程，如何排队？

JUC中锁的排队策略，是基于CLH队列的变种实现的。因此，我们先看看啥是CLH队列

CLH队列

image.png

如上图所示，获取不到锁的线程，会进入队尾，然后自旋，直到其前驱线程释放锁。

这样做的好处：假设有1000个线程等待获取锁，锁释放后，只会通知队列中的第一个线程去竞争锁，减少了并发冲突。（ZK的分布式锁，为了避免惊群效应，也使用了类似的方式：获取不到锁的线程只监听前一个节点）

为什么说JUC中的实现是基于CLH的“变种”，因为原始CLH队列，一般用于实现自旋锁。而JUC中的实现，获取不到锁的线程，一般会时而阻塞，时而唤醒。

JUC中的CLH队列实现

我们来看看AbstractQueuedSynchronizer类中的acquire方法实现

    
    public final void acquire(int arg) {
        //尝试获取锁
        if (!tryAcquire(arg) &&
            //获取不到,则进入等待队列，返回是否中断
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            //如果返回中断，则调用当前线程的interrupt()方法
            selfInterrupt();
    }

入队

如果线程调用tryAcquire（其最终实现是调用上面分析过的nonfairTryAcquire方法）获取锁失败。则首先调用addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法，将自己加入CLH队列的尾部。

    private Node addWaiter(Node mode) {
        //线程对应的Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        //尾节点不为空
        if (pred != null) {
            //当前node的前驱指向尾节点
            node.prev = pred;
            //将当前node设置为新的尾节点
            //如果cas操作失败，说明线程竞争
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //lockfree的方式插入队尾
        enq(node);
        return node;
    }
    private Node enq(final Node node) {
        //经典的lockfree算法：循环+CAS
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //尾节点为空
            if (t == null) { // Must initialize
                //初始化头节点
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

入队过程，入下图所示

1 T0持有锁时，其CLH队列的头尾指针为NULL

image.png

2 线程T1，此时请求锁，由于锁被T0占有。因此加入队列尾部。具体过程如下所示：

(1) 初始化头节点

(2) 初始化T1节点，入队，尾指针指向T1

image.png

3 此时如果有一个T10线程先于T1入队，则T1执行compareAndSetTail(t, node)会失败，然后回到for循环开始处，重新入队。

image.png

由自旋到阻塞

入队后，调用acquireQueued方法，时而自旋，时而阻塞，直到获取锁（或被取消）。

  final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //其前驱是头结点，并且再次调用tryAcquire成功获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    //将自己设为头结点
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    //成功获取锁，返回
                    return interrupted;
                }
                //没有得到锁时：
                //shouldParkAfterFailedAcquire方法：返回是否需要阻塞当前线程
                //parkAndCheckInterrupt方法：阻塞当前线程，当线程再次唤醒时，返回是否被中断
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    //修改中断标志位
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                //获取锁失败，则将此线程对应的node的waitStatus改为CANCEL
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    
    private void setHead(Node node) {
        head = node;
        node.thread = null;
        node.prev = null;
    }
    
      /**
     * 获取锁失败时，检查并更新node的waitStatus。
     * 如果线程需要阻塞，返回true。
     */
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        
        //前驱节点的waitStatus是SIGNAL。
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /* 
             * SIGNAL状态的节点，释放锁后，会唤醒其后继节点。
             * 因此，此线程可以安全的阻塞（前驱节点释放锁时，会唤醒此线程)。
             */
            return true;
            
        //前驱节点对应的线程被取消
        if (ws > 0) {
            do {
                //跳过此前驱节点
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
               此时，需要将前驱节点的状态设置为SIGNAL。
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
     //当shouldParkAfterFailedAcquire方法返回true，则调用parkAndCheckInterrupt方法阻塞当前线程
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

自旋过程，入下图所示

image.png image.png image.png image.png image.png

然后线程T2,加入了请求锁的队列，尾指针后移。

image.png image.png image.png

终上所述，每个得不到锁的线程，都会讲自己封装成Node，加入队尾，或自旋或阻塞，直到获取锁（为简化问题，不考虑取消的情况）

锁的释放

前文提到，T1,T2在阻塞之前，都回去修改其前驱节点的waitStatus=-1。这是为什么？
我们看下锁释放的代码，便一目了然

    public final boolean release(int arg) {
        //修改锁计数器，如果计数器为0,说明锁被释放
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            //head节点的waitStatus不等于0，说明head节点的后继节点对应的线程，正在阻塞，等待被唤醒
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                //唤醒后继节点
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
   
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

      
        //后继节点
        Node s = node.next;
        //如果s被取消，跳过被取消节点
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            //唤醒后继节点
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

如代码所示，waitStatus=-1的作用，主要是告诉释放锁的线程：后面还有排队等待获取锁的线程，请唤醒他！

释放锁的过程，如图所示：

image.png image.png

总结

实现锁的关键在于：

1. 通过CAS操作与volatile变量互相配合，线程安全的修改锁标志位
2. 基于CLH队列，实现锁的排队策略

问题讨论

1 unparkSuccessor时为什么会出现s==null || s.waitStatus>0的情况
2 这种情况下，为什么要通过prev指针反向查找Successor节点

//unparkSuccessor方法的相关代码
//释放锁时，s就是head.next
 if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }

原因如下：
当释放锁的线程在执行unparkSuccessor(head)时，分情况进行分析：
（1）s==0的情况:
触发条件：head的successor节点获取锁成功后，执行了head.next=null的操作后，解锁线程读取了head.next，因此s==null
反向遍历的原因：next指针在head.next处断开了，只能通过prev指针遍历
关键代码，如图所示：

image.png

（2）s.waitStatus > 0的情况
触发条件：head的successor节点被取消（cancelAcquire）时，执行了如下操作：
successor.waitStatus=1 ;
successor.next = successor;
反向遍历的原因：next指针在head节点的后继节点处断开（head.next.next），因此只能通过prev指针遍历
关键代码，如图所示：

image.png