目录

1.概论

1.1.实现锁的要素

1.2.阻塞队列

1.3.Lock接口和Sync类

2.各种锁

2.1.互斥锁

2.1.1.概论

2.1.2.源码

1.lock()

2.unlock()

2.2.读写锁

2.3.Condition

2.3.1.概论

2.3.2.底层实现

1.概论

1.1.实现锁的要素

JAVA中的锁都是可重入的锁，因为不可重入的试用的时候很容易造成死锁。这个道理很好想明白：

当一个线程已经持有一个锁，并在持有该锁的过程中再次尝试获取同一把锁时，如果没有重入机制，第二次请求会被阻塞，因为锁已经被自己持有。这会导致线程自我死锁，因为它在等待自己释放的锁。

可重入是指获取锁的线程可以继续重复的获得此锁。其实我们想都能想到要实现一把锁需要些什么，首先肯定是：

标志位，也叫信号量，标记锁的状态和重入次数，这样才能完成持有锁和释放锁。

接下来要考虑的是拒接策略，当前锁被持有期间，后续的请求线程该怎么处理，当然可以直接拒绝，JAVA的选择委婉点，选择了允许这些线程躺在锁上阻塞等待锁被释放。要实现让线程躺在锁上等待，我们想想无非要：

需要支持对一个线程的阻塞、唤醒

需要记录当前哪个线程持有锁

需要一个队列维护所有阻塞在当前锁上的线程

OK，以上四点就是JAVA锁的核心，总结起来就是信号量+队列，分别用来记录持有者和等待者。

1.2.阻塞、唤醒操作

首先我们来看看阻塞和唤醒的操作，在JDK中提供了一个Unsafe类，该类中提供了阻塞或唤醒线程的一对操作 原语——park/unpark：

<code>public native void unpark(Object var1);

public native void park(boolean var1, long var2);

这对原语最终会调用操作系统的程序接口执行线程操作。

1.2.阻塞队列

拿来维护所有阻塞在当前锁上的线程的队列能是个普通队列吗？很显然不是，它的操作必须是线程安全的是吧，所以这个队列用阻塞队列实现才合适。什么是阻塞队列：

阻塞队列提供了线程安全的元素插入和移除操作，并且在特定条件下会阻塞线程，直到满足操作条件。

说到JDK中的阻塞队列，其核心就是AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS，由双向链表实现的一个元素操作绝对安全的队列，用来在锁的实现中维护阻塞在锁上的线程上的队列的这个角色。

来看看AQS的源码：

它有指向前后节点的指针、有一个标志位state、还有一个提供线程操作原原语（阻塞、唤醒）的unsafe类。

所以其实AQS就长这样：

点进源码可以看到其随便一个方法都是线程安全的：

由于本文不是专门聊AQS这里就不扩展了，反正知道AQS是一个线程安全的阻塞队列就对了。

1.3.Lock接口和Sync类

JAVA中所有锁的顶级父接口，用来规范定义一把锁应该有那些行为职责：

<code>public interface Lock {

  void lock();

  void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

  boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

  void unlock();

  Condition newCondition();

}

JAVA中所有锁的实现都是依托AQS去作为阻塞队列，每个锁内部都会实现一个Sync内部类，在自身Sync内部以不同的策略去操作AQS实现不同种类的锁。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {......}

2.各种锁

2.1.互斥锁

2.1.1.概论

ReentrantLock，互斥锁，ReentrantLock本身没有任何代码逻辑，依靠内部类Sync干活儿：

public class ReentrantLock implements Lock, Serializable {

private final ReentrantLock.Sync sync;

public void lock() {

       this.sync.lock();

  }

   public void unlock() {

       this.sync.release(1);

  }

  ......

}

ReentrantLock的Sync继承了AQS

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {......}

Sync是抽象类，有两个实现：

NonfairSync，公平锁

FairSync，非公平锁

实例化ReentrantLock的实例时，根据传入的标志位可以创建公平和公平的实现

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable{

public ReentrantLock() {

       sync = new NonfairSync();

  }

​

   public ReentrantLock(boolean fair) {

       sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();

  }

  ......

}

}

2.1.2.源码

1.lock()

公平锁的lock()：

static final class FairSync extends Sync {

       final void lock() {

           acquire(1);//进来直接排队

      }

非公平锁的lock():

static final class NonfairSync extends Sync {

       final void lock() {

           if (compareAndSetState(0, 1))//进来直接抢锁

               setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//将锁的持有者设置为当前线程

           else

               acquire(1);//没抢过再去排队

      }

  }

acquire（）是AQS的模板方法：

tryAcquire，尝试再去获取一次锁，公平锁依然是排队抢，去看看阻塞队列是否为空；非公平锁依然是直接抢。

acquireQueued，将线程放入阻塞队列。

public final void acquire(int arg) {

       if (!tryAcquire(arg) &&

           acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

           selfInterrupt();

  }

acquireQueued（..）是lock()最关键的一部分，addWaiter（..）把Thread对象加入阻塞队列，acquireQueued（..）完成对线程的阻塞。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {

       boolean failed = true;

       try {

           boolean interrupted = false;

           for (;;) {

               final Node p = node.predecessor();

               if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果发现自己在队头就去拿锁

                   setHead(node);

                   p.next = null; // help GC

                   failed = false;

                   return interrupted;

              }

               if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                   parkAndCheckInterrupt())//调用原语，阻塞自己

                   interrupted = true;

          }

      } finally {

           if (failed)

               cancelAcquire(node);

      }

  }

acquireQueued（..）函数有一个返回值，表示什么意思 呢？虽然该函数不会中断响应，但它会记录被阻塞期间有没有其他线 程向它发送过中断信号。如果有，则该函数会返回true；否则，返回false。所以才有了以下逻辑：

public final void acquire(int arg) {

       if (!tryAcquire(arg) &&

           acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

           selfInterrupt();

  }public final void acquire(int arg) {

       if (!tryAcquire(arg) &&

           acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

           selfInterrupt();

  }

当 acquireQueued（..） 返回 true 时，会调用 selfInterrupt （），自己给自己发送中断信号，也就是自己把自己的中断标志位设 为true。之所以要这么做，是因为自己在阻塞期间，收到其他线程中 断信号没有及时响应，现在要进行补偿。这样一来，如果该线程在loc k代码块内部有调用sleep（）之类的阻塞方法，就可以抛出异常，响 应该中断信号。

2.unlock()

unlock的逻辑很简单，每次unlock，state-1，直到state=0时，将锁的拥有者置null，释放锁。由于只有锁的持有线程才能操作lock，所以unlock()不需要用CAS，操作时直接判断一下是不是锁的持有线程在操作即可。

public void unlock() {

       sync.release(1);

  }

public final boolean release(int arg) {

       if (tryRelease(arg)) {//释放锁

           Node h = head;

           if (h != null && h.waitStatus != 0)

               unparkSuccessor(h);//唤醒阻塞队列中的后继者

           return true;

      }

       return false;

  }

释放锁：

protected final boolean tryRelease(int releases) {

           int c = getState() - releases;//每次unlock，state减1

           if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())//判断是不是锁的持有线程

               throw new IllegalMonitorStateException();

           boolean free = false;

           if (c == 0) {//state为0表示该锁没有被持有

               free = true;

               setExclusiveOwnerThread(null);//将锁的持有者置null

          }

           setState(c);

           return free;

      }

唤醒后继者：

private void unparkSuccessor(Node node) {

       int ws = node.waitStatus;

       if (ws < 0)

           compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

       Node s = node.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;

      }

       if (s != null)

           LockSupport.unpark(s.thread);

  }

2.2.读写锁

读写锁是一个实现读写互斥的锁，读写锁包含一个读锁、一个写锁：

public interface ReadWriteLock{

Lock readLock();

Lock writeLock();

}

读写锁的使用就是直接调用对应锁进行锁定和解锁：

ReadWriteLock rwLock=new ReetrantReadWriteLock();

Lock rLock=rwLock.readLock();

rLock.lock();

rLock.unLock();

Lock wLock=rwLock.writeLock();

wLock.lock();

wLock.unLock();

读写锁的Sync内部类对读锁和写锁采用同一个int型的信号量的高16位和低16位分别表示读写锁的状态和重入次数，这样一次CAS就能统一处理进行读写互斥操作：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

       static final int SHARED_SHIFT   = 16;

       static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);

       static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

       static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

static int sharedCount(int c)   { return c >>> SHARED_SHIFT; }

       static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

}

2.3.Condition

2.3.1.概论

condition用于更加细粒度的控制锁上面的线程阻塞、唤醒。

以下以一个经典的生产、消费者问题为例：

队列空的时候进来的消费者线程阻塞，有数据放进来后唤醒阻塞的消费者线程。

队列满的时候进来的生产者线程阻塞，有空位后唤醒阻塞的生产者线程。

锁粒度的实现：

public void enqueue(){

synchronized(queue){

while(queue.full()){

queue.wait();

}

//入队列

......

//通知消费者，队列中有数据了

queue.notify();

}

}

​

public void dequeue(){

synchronized(queue){

while(queue.empty()){

queue.wait();

}

//出队列

......

//通知生产者，队列中有空位了，可以继续放数据

queue.notify();

}

}

可以发现，唤醒的时候把阻塞的生产消费线程一起唤醒了。

条件粒度的实现：

private final Lock lock = new ReentrantLock();

private final Condition notFull  = lock.newCondition(); // 用于等待队列不满

private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 用于等待队列非空

public void enqueue(Object item) {

    try {

        while (queue.isFull()) {

            notFull.await(); // 等待队列不满

        }

        // 入队列操作

        // ...

        // 入队后，通知等待的消费者

        notEmpty.signal();

    } catch (InterruptedException e) {

        Thread.currentThread().interrupt(); // 保持中断状态

        // 处理中断逻辑

    } finally {

        queue.unlock();

    }

}

public void dequeue() {

    try {

        while (queue.isEmpty()) {

            notEmpty.await(); // 等待队列非空

        }

        // 出队列操作

        // ...

        // 出队后，通知等待的生产者

        notFull.signal();

    } catch (InterruptedException e) {

        Thread.currentThread().interrupt(); // 保持中断状态

        // 处理中断逻辑

    } finally {

        queue.unlock();

    }

}

2.3.2.底层实现

Condition由Lock产生，因此Lock中持有Condition：

public interface Lock {

......

   Condition newCondition();

}

承担功能的其实就是Syn中的ConditionObject，也就是AQS中的ConditionObject：

final ConditionObject newCondition() {

           return new ConditionObject(this);

      }

一个Condition上面阻塞着多个线程，所以每个Condition内部都有一个队列，用来记录阻塞在这个condition上面的线程，这个队列其实也是AQS实现的，AQS中除了实现一个以Node为节点的队列，还实现了一个以ConditionObject为节点的队列：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer

   extends AbstractOwnableSynchronizer

   implements java.io.Serializable {

  public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {

       private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;

       private transient Node firstWaiter;

       private transient Node lastWaiter;

      ......

      }

  }

Condition是个接口，定义了一系列条件操作：

public interface Condition {

   void await() throws InterruptedException;

   void awaitUninterruptibly();

   long awaitNanos(long var1) throws InterruptedException;

   boolean await(long var1, TimeUnit var3) throws InterruptedException;

   boolean awaitUntil(Date var1) throws InterruptedException;

   void signal();

   void signalAll();

}