Lock锁底层原理实现

synchronized与lock

lock是一个接口，而synchronized是在JVM层面实现的。synchronized释放锁有两种方式：

获取锁的线程执行完同步代码，释放锁。
线程执行发生异常，jvm会让线程释放锁。

lock锁的释放，出现异常时必须在finally中释放锁，不然容易造成线程死锁。lock显式获取锁和释放锁，提供超时获取锁、可中断地获取锁。

synchronized是以隐式地获取和释放锁，synchronized无法中断一个正在等待获取锁的线程。

synchronized原始采用的是CPU悲观锁机制，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。

Lock用的是乐观锁方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁实现的机制就是CAS操作。

具体的悲观锁和乐观锁的详细介绍请参考这篇文章[浅谈数据库乐观锁、悲观锁]

在JDK5中增加了一个Lock接口实现类ReentrantLock.它不仅拥有和synchronized相同的并发性和内存语义,还多了锁投票,定时锁,等候和中断锁等.它们的性能在不同的情况下会有不同。

在资源竞争不是很激烈的情况下,synchronized的性能要由于ReentrantLock,但是在资源竞争很激烈的情况下,synchronized的性能会下降得非常快,而ReentrantLock的性能基本保持不变.

接下来我们会进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState。

lock源码

在阅读源码的成长的过程中，有很多人会遇到很多困难，一个是源码太多，另一方面是源码看不懂。在阅读源码方面，我提供一些个人的建议：

第一个是抓主舍次，看源码的时候，很多人会发现源码太长太多，看不下去，这就要求我们抓住哪些是核心的方法，哪些是次要的方法。当舍去次要方法，就会发现代码精简和很多，会大大提高我们阅读源码的信心。
第二个是不要死扣，有人看源码会一行一行的死扣，当看到某一行看不懂，就一直停在那里死扣，知道看懂为止，其实很多时候，虽然看不懂代码，但是可以从变量名和方法名知道该代码的作用，java中都是见名知意的。

接下来进入阅读lock的源码部分，在lock的接口中，主要的方法如下：

public interface Lock {// 加锁void lock()；// 尝试获取锁boolean tryLock();boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;// 解锁void unlock();
}

在lock接口的实现类中，最主要的就是ReentrantLock，来看看ReentrantLock中lock()方法的源码：

    // 默认构造方法，非公平锁public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();}// 构造方法，公平锁public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}// 加锁public void lock() {sync.lock();}

在初始化lock实例对象的时候，可以提供一个boolean的参数，也可以不提供该参数。提供该参数就是公平锁，不提供该参数就是非公平锁。

什么是非公平锁和公平锁呢？

非公平锁就是不按照线程先来后到的时间顺序进行竞争锁，后到的线程也能够获取到锁，公平锁就是按照线程先来后到的顺序进行获取锁，后到的线程只能等前面的线程都获取锁完毕才执行获取锁的操作，执行有序。

我们来看看lock()这个方法，这个有区分公平锁和非公平锁，这个两者的实现不同，先来看看公平锁，源码如下：

// 直接调用 acquire(1)
final void lock() {acquire(1);}

我们来看看acquire(1)的源码如下：

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

这里的判断条件主要做两件事：

通关过该方法tryAcquire(arg)尝试的获取锁
若是没有获取到锁，通过该方法acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)就将当前的线程加入到存储等待线程的队列中。

其中tryAcquire(arg）是尝试获取锁，这个方法是公平锁的核心之一，它的源码如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {// 获取当前线程 final Thread current = Thread.currentThread();// 获取当前线程拥有着的状态int c = getState();// 若为0，说明当前线程拥有着已经释放锁if (c == 0) {// 判断线程队列中是否有，排在前面的线程等待着锁，若是没有设置线程的状态为1。if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {// 设置线程的拥有着为当前线程setExclusiveOwnerThread(current);return true;}// 若是当前的线程的锁的拥有者就是当前线程，可重入锁} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 执行状态值+1int nextc = c + acquires;if (nextc < 0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");// 设置status的值为nextcsetState(nextc);return true;}return false;}

在tryAcquire()方法中，主要是做了以下几件事：

判断当前线程的锁的拥有者的状态值是否为0，若为0，通过该方法hasQueuedPredecessors()再判断等待线程队列中，是否存在排在前面的线程。
若是没有通过该方法 compareAndSetState(0, acquires)设置当前的线程状态为1。
将线程拥有者设为当前线程setExclusiveOwnerThread(current)
若是当前线程的锁的拥有者的状态值不为0，说明当前的锁已经被占用，通过current == getExclusiveOwnerThread()判断锁的拥有者的线程，是否为当前线程，实现锁的可重入。
若是当前线程将线程的状态值+1，并更新状态值。

公平锁的tryAcquire()，实现的原理图如下：

我们来看看acquireQueued()方法，该方法是将线程加入等待的线程队列中，源码如下：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;try {boolean interrupted = false;// 死循环处理for (;;) {// 获取前置线程节点final Node p = node.predecessor();// 这里又尝试的去获取锁if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;// 直接return  interruptedreturn interrupted;}// 在获取锁失败后，应该将线程Park(暂停)if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}

acquireQueued()方法主要执行以下几件事：

死循环处理等待线程中的前置节点，并尝试获取锁，若是p == head && tryAcquire(arg)，则跳出循环，即获取锁成功。
若是获取锁不成功shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt()就会将线程暂停。

在acquire(int arg)方法中，最后若是条件成立，执行下面的源码：

selfInterrupt();// 实际执行的代码为
Thread.currentThread().interrupt();

即尝试获取锁失败，就会将锁加入等待的线程队列中，并让线程处于中断等待。公平锁lock()方法执行的原理图如下：

之所以画这些原理的的原因，是为后面写一个自己的锁做铺垫，因为你要实现和前人差不多的东西，你必须了解该东西执行的步骤，最后得出的结果，执行的过程是怎么样的。

有了流程图，在后面的实现自己的东西才能一步一步的进行。这也是阅读源码的必要之一。

在lock()方法，其实在lock()方法中，已经包含了两方面：

锁方法lock()。
尝试获取锁方法tryAquire()。

接下来，我们来看一下unlock()方法的源码。

  public void unlock() {sync.release(1);}

直接调用release(1)方法，来看release方法源码如下：

    public final boolean release(int arg) {// 尝试释放当前节点if (tryRelease(arg)) {// 取出头节点Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)// 释放锁后要即使唤醒等待的线程来获取锁unparkSuccessor(h);return true;}return false;}

通过调用tryRelease(arg)，尝试释放当前节点，若是释放锁成功，就会获取的等待队列中的头节点，就会即使唤醒等待队列中的等待线程来获取锁。接下来看看tryRelease(arg)的源码如下：

// 尝试释放锁protected final boolean tryRelease(int releases) {// 将当前状态值-1int c = getState() - releases;// 判断当前线程是否是锁的拥有者，若不是直接抛出异常，非法操作，直接一点的解释就是，你都没有拥有锁，还来释放锁，这不是骗人的嘛if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException();boolean free = false;//执行释放锁操作 1.若状态值=0   2.将当前的锁的拥有者设为nullif (c == 0) {free = true;setExclusiveOwnerThread(null);}// 重新更新status的状态值setState(c);return free;}

总结上面的几个方法，unlock释放锁方法的执行原理图如下：

对于非公平锁与公平锁的区别，在非公平锁尝试获取锁中不会执行hasQueuedPredecessors()去判断是否队列中还有等待的前置节点线程。

如下面的非公平锁，尝试获取锁nonfairTryAcquire()源码如下：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {// 直接就将status-1，并不会判断是否还有前置线程在等待if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;}

以上就是公平锁和非公平锁的主要的核心方法的源码，接下来我们实现自己的一个锁，首先依据前面的分析中，要实现自己的锁，拥有的锁的核心属性如下：

状态值status，0为未占用锁，1未占用锁，并且是线程安全的。
等待线程队列，用于存放获取锁的等待线程。
当前线程的拥有者。

lock锁的核心的Api如下：

lock方法
trylock方法
unlock方法

依据以上的核心思想来实现自己的锁，首先定义状态值status，使用的是AtomicInteger原子变量来存放状态值，实现该状态值的并发安全和可见性。定义如下：

// 线程的状态 0表示当前没有线程占用   1表示有线程占用AtomicInteger status =new AtomicInteger();

接下来定义等待线程队列，使用LinkedBlockingQueue队列来装线程，定义如下：

// 等待的线程
LinkedBlockingQueue<Thread> waiters = new LinkedBlockingQueue<Thread>();

最后的属性为当前锁的拥有者，直接就用Thread来封装，定义如下：

// 当前线程拥有者
Thread ownerThread =null;

接下来定义lock()方法，依据上面的源码分析，在lock方法中主要执行的几件事如下：

死循环的处理等待线程队列中的线程，知道获取锁成功，将该线程从队列中删除，跳出循环。
获取锁不成功，线程处于暂停等待。

    @Overridepublic void lock() {// TODO Auto-generated method stub// 尝试获取锁if (!tryLock()) {// 获取锁失败，将锁加入等待的队列中waitersQueue.add(Thread.currentThread());// 死循环处理队列中的锁，不断的获取锁for (;;) {if (tryLock()) {// 直到获取锁成功，将该线程从等待队列中删除waitersQueue.poll();// 直接返回return;} else {// 获取锁不成功，就直接暂停等待。LockSupport.park();}}}}

然后是trylock方法，依据上面的源码分析，在trylock中主要执行的以下几件事：

判断当前拥有锁的线程的状态是否为0，为0，执行状态值+1，并将当前线程设置为锁拥有者。
实现锁可重入

    @Overridepublic boolean tryLock() {// 判断是否有现成占用if (status.get()==0) {// 执行状态值加1if (status.compareAndSet(0, 1)) {// 将当前线程设置为锁拥有者ownerThread = Thread.currentThread();return true;} else if(ownerThread==Thread.currentThread())  {// 实现锁可重入status.set(status.get()+1);}}return false;}

最后就是unlock方法，依据上面的源码分析，在unlock中主要执行的事情如下：

判断当前线程是否是锁拥有者，若不是直接抛出异常。
判断状态值是否为0，并将锁拥有者清空，唤醒等待的线程。

    @Overridepublic void unlock() {// TODO Auto-generated method stub// 判断当前线程是否是锁拥有者if (ownerThread!=Thread.currentThread()) {throw new RuntimeException("非法操作");}// 判断状态值是否为0if (status.decrementAndGet()==0) {// 清空锁拥有着ownerThread = null;// 从等待队列中获取前置线程Thread t = waitersQueue.peek();if (t!=null) {// 并立即唤醒该线程LockSupport.unpark(t);}}}

以上就是实现自己的非公平的可重入锁，lock的源码其实并不复杂，只要认真看都能看懂，在阅读源码的过程中，会遇到比较复杂的问题。遇到问题不要慌，网上查询资料，相信很多都能找到答案，因为java的生态如此完善，几乎90%的东西网上都会有，只要沉得住气，相信一定会有所收获。

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