lock体系
之前本来在写完多线程之后就写lock体系的，可以作以对比，但之后又写了其他知识的博客，一直拖到今天才写lock相关的知识，大家在看lock锁的时候，可以对比着看内建锁，对比对比lock锁和内建锁的优缺点。
这是我那篇关于内建锁的博客链接：https://blog.****.net/huaijiu123/article/details/85242821
lock在Java的util包下
lock体系下的线程的阻塞与唤醒，不再用内建锁和monitor机制了，而是用lock和unlock。
1. lock锁和内建锁最大的区别就是：内建锁是隐式的加减锁，而lock是显示的加减锁
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Lock lock = new ReentrantLock();
try{
lock.lock();
//以下代码被锁住，同一时刻只能一个线程可以运行
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
解锁操作必须放在finally中，保证无论是否发生异常，都会释放锁。
下来我们看一个例子：还是卖票，这次是用lock加锁
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class MyThread implements Runnable{
private int ticket = 500;
private Lock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
for(int i = 0; i < 500; i++){
try{
lock.lock();
if(ticket > 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"还剩"+ticket--+"票");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
MyThread mt = new MyThread();
Thread th1 = new Thread(mt,"A");
Thread th2 = new Thread(mt,"B");
Thread th3 = new Thread(mt,"C");
th1.start();
th2.start();
th3.start();
}
}
内建锁与lock锁的区别如果将lock换成synchronized的话，run()方法，同一时刻是可以多个线程同时进去的，这就是同一时刻多个线程竞争同一把锁，是重量级锁，其他线程进入阻塞状态，而lock锁，会使其他线程进入自旋状态。
lock锁除了用于内建锁的所有特性外，还拥有内建锁不具备的特性，拥有可中断的获取锁以及超时获取锁以及共享锁。
2. lock常用的接口
void lock(); //获取锁
void lockInerruptibly() throws InterruptedException(); //响应中断锁
boolean tryLock(); //获取到锁返回true，反之返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit); //超时获取锁，在规定时间内未获取到锁返回false
Condition newCondition(); //获取与lock绑定的等待通知组件
void unlock(); //释放锁
通过观察ReentrantLock源码我们可以发现，ReentrantLock中所有的方法实际上都是调用了其静态内部类Sync中的方法，而Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer（AQS–简称同步器）
那，AQS到底是什么呢？
同步器是用来构建锁以及其他同步组件的基础框架，它的实现主要是依赖一个int状态变量以及通过一个FIFO队列共同构成同步队列。
子类必须重写AQS的用protected修饰的用来改变同步状态的方法，其他方法主要是实现了排队与阻塞机制。int状态的更新使用getState()、setState()以及compareAndSetState()。
子类推荐使用静态内部类来继承AQS实现自己的同步语义。同步器既支持独占锁，也支持共享锁。
3. 那lock与AQS到底什么关系呢？
lock—面向使用者，定义了使用者与锁交互的接口。
AQS—面向锁的实现者，屏蔽了同步状态的管理、线程排队、线程等待与唤醒等底层操作。
4. AQS的模板模式
AQS使用模板方法模式，将一些与状态有关的核心方法开放给子类重写，而后AQS会使用子类重写的关于状态的方法进行线程的排队、阻塞以及唤醒等操作。
5. AQS详解
在同步组件（锁）中，AQS是最核心的部分，同步组件的实现依赖AQS提供的模板方法来实现同步组件语义（也就是说什么时候获取锁了）。
AQS实现了对同步状态的管理，以及对阻塞线程进行排队、等待通知等等底层操作。
AQS核心组成：同步队列、独占锁的获取与释放、共享锁的获取与释放、可中断锁、超时锁。这一系列功能的实现依赖于AQS提供的模板方法。
独占锁
1. void acquire(int arg) : 独占式获取同步状态，如果获取失败插入同步队列进行等待
2. void acquireInterruptibly(int arg) ：在1的基础上，此方法可以在同步队列中响应中断
3. boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeOut) ：在2的基础上增加了超时等待功能，到了预计时间还未获得锁直接返回
4. boolean tryAcquire(int arg) ：获取锁成功返回true，否则返回false
5. boolean release(int arg) ：释放同步状态，该方法会唤醒在同步队列的下一个节点
共享式锁
1. void acquireShared(int arg) ：共享获取同步状态，同一时刻多个线程获取同步状态
2. void acquireSharedInterruptibly(int arg) ：在1的基础上增加响应中断
3. boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeOut) ：在2的基础上增加超时等待
4. boolean releaseShared(int arg) ：共享式释放同步状态
同步队列
我们可以通过debug lock锁的多线程会发现同步队列实际上是一个带有头尾节点的双向链表。
AQS源码
通过观察源码我们也可以发现在AQS内部有一个静态内部类Node，这是同步队列中每个具体的节点
节点属性有：
int waitStatus：节点状态
Node prev：同步队列中的前驱节点
Node next：同步队列中的后继节点
Thread thread：当前节点包装的线程对象
Node nextWaiter：等待队列中的下一个节点
节点状态有：
int INITIAL = 0；//初始状态
int CANCELLED = 1; //当前节点从同步队列中取消
int SIGNAL = -1； //当前节点的后继节点处于阻塞（wait）状态。如果当前节点释放同步状态会通知后继节点，使后继节点继续运行。
int CONDITION = -2; //节点处于等待队列中。当其他线程对Condition调用signal()方法后，该节点会从等待队列移到同步队列中
int PROPAGATE = -3; //共享式同步状态会无条件的传播
AQS是由一个int型状态变量以及同步队列组成的
独占锁的获取：acquire(int arg)
获取锁失败后调用AQS提供的acquire(int arg) 模版方法
acquire()源码
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
tryAcquire(arg)：再次尝试获取同步状态，成功直接方法退出，失败调用addWaiter(Node.EXCLUSIVE, arg)
addWaiter(Node.EXCLUSIVE, arg)：将当前线程以指定模式（独占式、共享式）封装为Node节点后置入同步队列
addWaiter源码
private Node addWaiter(Node mode) {
//将线程以指定模式封装为Node节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取当前队列的尾节点
Node pred = tail;
//若尾节点不为空
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//使用CAS将当前节点尾插到同步队列中
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
//CAS尾插成功，返回当前Node节点
return node;
}
}
//尾节点为空或CAS尾插失败
enq(node);
return node;
}
enq(Node node)：当前队列为空或者CAS尾插失败调用此方法来初始化队列或不断尝试尾插入队列中
enq源码
private Node enq(final Node node) {
//死循环，直到将当前节点插入同步队列成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
//初始化同步队列
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//不断CAS将当前节点为插入同步队列中
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
acquireQueued：
1. 如果当前节点前驱节点为头节点并且再次获取同步状态成功，当前线程成功获得锁，方法执行退出
2. 如果获取锁失败，先不断自旋将前驱节点状态置为SIGNAL，之后调用LockSupport.park()方法将当前线程阻塞
acquireQueued源码：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
//自旋
for (;;) {
//获取当前节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//获取同步状态成功条件
//当前节点前驱节点为头结点并且再次获取同步状态成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//将当前节点设置为头节点
setHead(node);
//删除原来的头节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
//获取失败将当前节点取消
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
setHead方法：将当前节点设置为头节点，删除原有头节点
setHead源码：
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
如果获取同步状态失败，则调用shouldParkAfterFailedAcquire方法
shouldParkAfterFailedAcquire：此方法主要逻辑是使用CAS将前驱节点状态置为SIGNAL，表示需要将当前节点阻塞。如果CAS失败，不断自旋直到前驱节点状态置为SIGNAL为止，表示当前节点需要阻塞。
shouldParkAfterFailedAcquire源码：
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取前驱节点的节点状态
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) //ws的状态为-1----也就是说当前节点的后继节点处于阻塞状态
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
//前驱节点已被取消
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
//一直向前走，直到找到一个前驱节点状态不为取消状态
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* 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.
*/
//前驱节点状态不是取消状态时，将前驱节点状态置为-1，表示后继节点（当前节点）应该处于阻塞状态
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
parkAndCheckInterrupt：调用LockSupport.park(this)将当前线程阻塞
parkAndCheckInterrupt源码：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
上边这些就是独占锁的获取流程。
我们可以画一下它的流程图，这样看起来更清晰些，再对应具体的源码剖析就更容易理解些了。
独占锁的释放：release()
unlock()方法实际上是调用AQS提供的release()模板方法
release方法源码：
public final boolean release(int arg) {
//释放状态成功后
if (tryRelease(arg)) {
//获取当前同步队列的头节点
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
release方法是unlock方法的具体实现。首先获取头节点的后继节点，当后继节点不为null时，会调用LockSupport.unpark()方法唤醒后继节点包装的线程。因此，每一次锁释放后就会唤醒队列中该节点的后继节点所包装的线程。
独占锁的获取与释放总结
- 线程获取锁失败，将线程调用addWaiter()封装成Node节点进行入队操作。addWaiter()中方法enq()完成对同步队列的头节点初始化以及CAS尾插失败后的重试处理。
- 入队之后排队获取锁的核心方法acquireQueued()，节点排队获取锁是一个自旋过程。 当且仅当当前节点的前驱节点为头节点并且成功获取同步状态时，节点出队并且该节点引用的线程获取到锁。
否则，不满足条件时会不断自旋将前驱节点的状态置为SIGNAL而后调用LockSupport.park()将当前线程阻塞。 - 释放锁时会唤醒后继节点（后继节点不为null）
独占锁的特性
获取锁时响应中断
获取锁响应中断原理与acquire()几乎一样，唯一区别在于当parkAndCheckInterrupt()返回true时也就是说线程阻塞时被中断，抛出中断异常后线程退出。
而acquire()方法在阻塞时中断只会返回true，不会做出任何响应。
超时等待获取锁
tryAcquireNanos()，该方法在三种情况下会返回：
- 在超时时间内，当前线程成功获取到锁
- 当前线程在超时时间内被中断
- 超时时间结束，仍未获得锁返回false
超时获取锁逻辑与可中断获取锁基本一致，唯一区别在于获取锁失败后，增加了一个时间处理，如果当前时间超过截至时间，线程不再等待，直接退出，返回false。否则将线程阻塞置为等待状态排队获取锁。