【小明】谈谈你对Lock和AQS的理解【建议收藏】

た入场券 2023-10-09 13:27 146阅读 0赞

**一、直接开始谈Lock**

【简单谈一下 *Lock使用，实现类源码和原理*，点到为止（在说完AQS时可以回过头谈一谈 ReentrantReadWriteLock 原理或者自己设计一个锁或者AQS怎么做），抛出JDK8中新的优化类，证明咱技术还可以，快速过，暂时重点放在后面 ***AQS*** 上面】

Lock是JDK提供给我们的显示锁，一般我们在try块前使用 ***lock()*** 方法获取锁，finally 块中调用***unlock()*** 释放锁，通常除了获取释放，我们还使用 *lockInterruptibly()* 可中断地获取锁，和lock()方法的不同之处在于该方法会响应中断，即在锁的获取中可以中断当前线程；还有 ***tryLock()*** 尝试非阻塞的获取锁，调用该方法后立刻返回，如果能够获取则返回true,否则返回false；

lock接口中 ***ReentrantLock*** 是一个重要的而且我经常用的一个实现类，ReentrantLock在调用lock()方法时，已经获取到锁的线程，能够再次调用lock()方法获取锁而不被阻塞。ReentrantLock提供了一个构造函数，能够控制锁是否是公平的。

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5bCP5piO44Gu5a2m5Lmg5b-D5b6X_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

/**
         * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the given fairness policy.
         * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
         */
        public ReentrantLock(boolean fair) {
            sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        }

除此之外还有 ReentrantReadWriteLock 读写锁，它是实现的是ReadWriteLock接口，一般读多写少的时候会使用它，不过需要注意线程饥饿问题。

**【亮点】**Java8中的新提供了一个 ***StampLock***，它是读写锁的一个改进版本，第一，它提供了一种乐观的读策略，这种乐观策略的锁非常类似于无锁的操作，使得乐观锁完全不会阻塞写线程；第二优化了读不阻塞写：就是说在读的时候如果发生了写，则应当重读而不是在读的时候直接阻塞写，但是写和写之间还是阻塞的。

public class RwLock {
        private int Integer;
        private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        private final Lock getLock = lock.readLock();//读锁
        private final Lock setLock = lock.writeLock();//写锁
        public Integer getNum() {
            getLock.lock();
            try {
                return this.Integer; // 只读
            } finally {
                getLock.unlock();
            }
        }
        public void setNum(int number) {
            setLock.lock();
            try {
                Integer++; // 写入
            } finally {
                setLock.unlock();
            }
        }
    }

**二、开始谈AQS**

【先谈AQS的关注点表示你自己知道AQS在Lock体系总的作用，再谈使用、设计模式、数据结构、源码实现等等扩展点，最后可以】

AQS全称AbstractQueuedSynchronizer，意思就是抽象队列同步器，在Lock实现类中大量使用，那我们关注点AQS是如何实现，当我多个线程要等待一把锁的时候，JDK是如何安排这些线程，在AQS中进行等待；当锁被释放的时候，又如何进行唤醒的。

【总】针对关注点，了解到，AQS是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int 成员变量 state 表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。

【分】AQS的主要使用方式是**继承**，子类通过继承 AQS 并实现它的抽象方法来管理同步状态， AQS为保证线程安全，提供的3个方法**getState()、setState(int newState) 和 compareAndSetState(int expect,int update)**；AQS自身没有实现任何同步接口，它仅仅是定义了若干同步状态获取和释放的方法，来供自定义同步组件使用，AQS既可以支持独占式、共享式地获取同步状态，例如 ***ReentrantLock、 ReentrantReadWriteLock 和 CountDownLatch*** 等都在内部使用AQS管理线程。实现者需要继承 *AQS* 并重写指定的方法，随后将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用AQS提供的 ***模板方法***，而这些模板方法将会调用使用者重写的方法。

AQS内部方法主要分为，***模板方法、可重写的方法和访问或修改同步状态的方法三类***，模板方法主要有 ***acquire(int arg)*** 方法独占式获取同步状态，***release(int arg)*** 方法独占式的释放同步状态；可重写方法有 ***tryAcquire(int arg)*** 独占式获取同步状态，***tryRelease()*** 方法等；访问或修改同步状态的方法就上面说的三种，有 getState() 方法获取当前同步状态。 setState(int newState) 方法设置当前同步状态。和 compareAndSetState(int expect,int update) 方法使用CAS设置当前状态。

![3c3bf4ba4c4965aa23f3966e0f5e1195.png][]

AQS中是通过***内部类 Node*** 来维护一个***CLH队列*** 的，CLH队列锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程仅仅在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，假设发现前驱释放了锁就结束自旋；内部节点Node主要 ***head 和 tail*** 一个指向队列头节点，而另一个指向队列尾节点；***Condition等待队列 ，**一个Condition包含一个等待队列*，Condition拥有首节点（***firstWaiter***）和尾节点（***lastWaiter***）。Condition有两个重要方法 ***await() 和 signal()*** ， await() 方法（或者以await开头的方法），会使当前线程进入等待队列并释放锁， 同时线程状态变为等待状态。将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列。当从await()方法返回时，当前线程一定获取了Condition相关联的锁。调用Condition的 ***signal()*** 方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中。

**三、在谈Lock原理**

【锁的可重入 原理 ，读写锁原理】

***ReentrantLock*** 锁的可重入 ，是 ***nonfairTryAcquire()*** 方法增加了再次获取同步状态的处理逻辑：通过判断当前线程是否为获取锁的线程来决定获取操作是否成功，如果是获取锁的线程再次请求，则将同步状态值进行增加并返回true，表示获取同步状态成功。同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数。如果该锁被获取了n次，那么前(n-1)次tryRelease(int releases)方法必须返回false

***ReentrantReadWriteLock*** 的实现，是读写锁将变量切分成了两个部分，高16位表示读，低16位表示写，假设当前同步状态值为S，写状态等于S&0x0000FFFF（将高16位全部抹去），读状态等于S>>>16（无符号补0右移16位）。当写状态增加1时，等于S+1，当读状态增加1时，等于S+(1<<16)，也就是S+0x00010000。根据状态的划分能得出一个推论：S不等于0时，当写状态（S&0x0000FFFF）等于0时，则读状态（S>>>16）大于0，即读锁已被获取。写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取，则当前线程（线程安全，依靠CAS保证）增加读状态。

**四、本文扩展**

**自己实现一个 AQS、实现一个自己的 独占锁（基于AQS实现锁）、实现一个 可重入锁**

**【自己实现一个AQS】**

应该关心些什么信息？  
1、线程信息，肯定要知道我是哪个线程；  
2、队列中线程状态，既然知道是哪一个线程，肯定还要知道线程当前处在什么状态，是已经取消了“获锁”请求，还是在“”等待中”，或者说“即将得到锁”  
3、前驱和后继线程，因为是一个等待队列，那么也就需要知道当前线程前面的是哪个线程，当前线程后面的是哪个线程（因为当前线程释放锁以后，理当立马通知后继线程去获取锁）。

import tool.SleepTools;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    
    /**
     * 实现一个自己的AQS
     * 思路：1.定义一个带锁状态的Node
     *      2.定义一个FIFO阻塞队列，用以存放阻塞的Node
     *      3.释放锁时，设置锁状态为false，并删除结点
     *
     * @author Cai
     * @date 2021/8/15-19:49
     */
    public class CLHLock implements Lock {
        // 原子读写的对象引用变量，FIFO阻塞队列
        AtomicReference<Node> tail;
        // 线程的前驱结点
        ThreadLocal<Node> myPred;
        // 线程的当前结点
        ThreadLocal<Node> myNode;
        public CLHLock() {
            // 创建的默认队尾结点，默认是释放锁的状态（locked为false）
            tail = new AtomicReference<Node>(new Node(false));
            myPred = ThreadLocal.withInitial(() -> null);
            myNode = ThreadLocal.withInitial(() -> new Node(false));
        }
    
        @Override
        public void lock() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ready get lock");
            // 给当前线程 创建一个节点Node 例如：1,2同时进来 Node1,Node2
            Node node = myNode.get();
            // 当前线程需要获得锁，给当前线程设置状态为true 例如：1,2都为true
            node.locked = Boolean.TRUE;
            // 获取取到前趋节点Node pred，然后设置当前线程的节点到队尾 例如：1先到到，tail(false)->1(true)->2(true)
            Node pred = tail.getAndSet(node);
            // 设置当前线程的 前趋节点Node pred 例如：1的前驱就是tail(false)，tail(false)->1(true)
            myPred.set(pred);
            // 一直阻塞，直到前趋节点pred释放锁（pred.locked为false时可以获取锁）
            while (pred.locked) {
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---already got lock---");
        }
    
        @Override
        public void unlock() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ready release lock");
            // 获取当前持有锁的 线程的 Node节点
            Node node = myNode.get();
            // 设置当前线程释放锁的状态为 false
            node.locked = Boolean.FALSE;
            // 解除myNode绑定在当前线程上，即使下次当前线程再次需要获得锁时则再创建一个Node。
            myNode.remove();
            myPred.remove();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---already released lock---");
        }
        /**
         * 模拟AQS
         */
        private static class Node {
            volatile boolean locked; // 锁状态
            Node(boolean locked) {this.locked = locked;}
        }
        public static void main(String[] args) {
            // 创建实现的独占锁
            final Lock lock = new CLHLock();
            // 创建工作线程
            class Worker extends Thread {
                public void run() {
                    lock.lock();
                    System.out.println("当前持有锁的线程：" + Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        SleepTools.second(1); // 休眠1s
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
    
            // 启动4个子线程
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                Worker w = new Worker();
                w.start();
            }
    
            // 主线程每隔1秒换行
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                SleepTools.second(1);
            }
        }
    }

**【自己实现一个自己的独占锁（基于AQS实现锁）】**

**重写AQS经验总结**  
同步组件的实现依赖同步器，使用AQS的方式被推介定义 继承AQS的静态内部类  
AQS采用模板方法设计，AQS的protected方法需要子类重写，当调用模板方法时就可以调用被重写方法  
AQS负责同步状态的管理，线程的排队，等待唤醒等底层操作，而自定义同步组件主要专注于 实现同步语义  
重写AQS时，使用AQS提供的getState().setState(),compareAndSetState()修改同步状态

import tool.SleepTools; 
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    
    /**
     * 实现一个自己的独占锁
     * 思路:  1.实现Lock接口
     *          2.使用AQS实现继承自接口中的方法
     *
     * @author Cai
     * @date 2021/8/15-18:56
     */
    public class SelfLock implements Lock {
    
        // 静态内部类，自定义同步器
        private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
            /*判断处于占用状态*/
            @Override
            protected boolean isHeldExclusively() {
                // 获取当前同步状态，
                return getState() == 1;
            }
    
            /*获得锁*/
            @Override
            protected boolean tryAcquire(int arg) {
                // 使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性
                if (compareAndSetState(0, 1)) {
                    // 设置当前拥有独占访问权限的线程
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                    return true;
                }
                return false;
            }
    
            /*释放锁*/
            @Override
            protected boolean tryRelease(int arg) {
                if (getState() == 0) {
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                }
                setExclusiveOwnerThread(null);
                setState(0);
                //compareAndSetState(1,0);
                return true;
            }
    
            // 返回一个Condition，每个condition都包含了一个condition队列
            Condition newCondition() {
                return new ConditionObject();
            }
        }
    
        // 仅需要将操作代理到Sync上即可
        private final Sync sync = new Sync();
    
        public void lock() {
            // 竞争锁的队列，如果没竞争成功，会进入队列
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ready get lock");
            // 独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回，否则，将会进入同步队列等待
            sync.acquire(1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---already got lock---");
        }
    
        public boolean tryLock() {
            // 独占式获取同步状态，实现该方法需要查询当前状态并判断同步状态是否符合预期，然后再进行CAS设置同步状态
            return sync.tryAcquire(1);
        }
    
        public void unlock() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ready release lock");
            // 独占式的释放同步状态，该方法会在释放同步状态之后，将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒
            sync.release(1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---already released lock---");
        }
    
        /**
         * 等待队列
         * 一个Condition包含一个FIFO等待队列，Condition拥有首节点（firstWaiter）和尾节点（lastWaiter）
         * 在队列中的每个节点都包含了一个线程引用，该线程就是在Condition对象上等待的线程，
         * 节点的定义复用了AQS中节点的定义，也就是说，同步队列和等待队列中节点类型都是AQS的静态内部类。
         */
        public Condition newCondition() {
            return sync.newCondition();
        }
    
        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
            // 与acquire(int arg)相同．但是该方法响应中断，当前线程未获取到同步状态而进入同步队列中，如果当前线程被中断，则会抛出InterruptedException并返回
            sync.acquireInterruptibly(1);
        }
    
        public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
            // 在acquircInterruptibly(int arg)基础上增加了超时限制，如果当前线程在超时时间内没有获取到同步状态，那么将会返回false.如果获取到了返回true
            return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            // 创建实现的独占锁
            final Lock lock = new SelfLock();
            // 创建工作线程
            class Worker extends Thread {
                public void run() {
                    lock.lock();
                    System.out.println("当前持有锁的线程："+Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        SleepTools.second(1); // 休眠1s
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
    
            // 启动4个子线程
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                Worker w = new Worker();
                w.start();
            }
    
            // 主线程每隔1秒换行
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                SleepTools.second(1);
            }
        }
    }
    
    输出效果：
    Thread-0 ready get lock
    Thread-3 ready get lock
    Thread-0---already got lock---
    Thread-2 ready get lock
    Thread-1 ready get lock
    当前持有锁的线程：Thread-0
    Thread-0 ready release lock
    Thread-3---already got lock---
    当前持有锁的线程：Thread-3
    Thread-0---already released lock---
    Thread-3 ready release lock
    Thread-3---already released lock---
    Thread-2---already got lock---
    当前持有锁的线程：Thread-2
    Thread-2 ready release lock
    Thread-2---already released lock---
    Thread-1---already got lock---
    当前持有锁的线程：Thread-1
    Thread-1 ready release lock
    Thread-1---already released lock---

**【实现一个可重入锁】**

import tool.SleepTools;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    
    /**
     * @author Cai
     * @date 2021/8/15-23:27
     */
    public class ReenterSelfLock implements Lock {
        // 静态内部类，自定义同步器
        private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    
            // 是否处于占用状态
            protected boolean isHeldExclusively() {
                return getState() > 0;
            }
    
            // 当状态为0的时候获取锁
            public boolean tryAcquire(int acquires) {
                if (compareAndSetState(0, 1)) {
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                    return true;
                } else if (getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()) {
                    setState(getState() + 1);
                    return true;
                }
                return false;
            }
    
            // 释放锁，将状态设置为0
            protected boolean tryRelease(int releases) {
                if (getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()) {
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                }
                if (getState() == 0)
                    throw new IllegalMonitorStateException();
    
                setState(getState() - 1);
                if (getState() == 0) {
                    setExclusiveOwnerThread(null);
                }
                return true;
            }
    
            // 返回一个Condition，每个condition都包含了一个condition队列
            Condition newCondition() {
                return new ConditionObject();
            }
        }
    
        // 仅需要将操作代理到Sync上即可
        private final Sync sync = new Sync();
    
        public void lock() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ready get lock");
            sync.acquire(1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " already got lock");
        }
    
        public boolean tryLock() {
            return sync.tryAcquire(1);
        }
    
        public void unlock() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ready release lock");
            sync.release(1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " already released lock");
        }
    
        public Condition newCondition() {
            return sync.newCondition();
        }
    
        public boolean isLocked() {
            return sync.isHeldExclusively();
        }
    
        public boolean hasQueuedThreads() {
            return sync.hasQueuedThreads();
        }
    
        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
            sync.acquireInterruptibly(1);
        }
    
        public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
            return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            // 创建实现的独占锁
            final Lock lock = new ReenterSelfLock();
            // 创建工作线程
            class Worker extends Thread {
                public void run() {
                    lock.lock();
                    System.out.println("当前持有锁的线程：" + Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        SleepTools.second(1); // 休眠1s
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
    
            // 启动4个子线程
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                Worker w = new Worker();
                w.start();
            }
    
            // 主线程每隔1秒换行
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                SleepTools.second(1);
            }
        }
    }

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