JDK成长记18： ReentrantLock (1) 通过首次加锁初识AQS

上一章你应该掌握了Atomic的底层原理-CAS。接下来进入另一个重要的一个知识AQS。我们通过ReentrantLock这个类来讲讲AQS这个知识。

从上图可以看出，ReentractLock、ReadWriteReentractLock，这些锁API底层是基于AQS+CAS+volatile来实现的，一般不会直接使用，常使用的是一些并发集合API，但是它们的底层大多还是基于ReentrantLock或者AQS来实现的。

ReentrantLock属于java并发包里的底层的API，专门支撑各种java并发类的底层的逻辑实现。

ReenranctLock的内容比较多，计划分6节来讲。

• 第一节讲一下初识ReenranctLock加锁的AQS底层原理

• 第二节讲一下ReenranctLock加锁入队的AQS底层原理

• 第三节讲一下ReenranctLock释放锁的底层原理

• 第四节讲一下ReenranctLock锁的可重入、公平、非公平

• 第五节讲一下ReentrantReadWriteLock读写锁的原理

• 第六节讲一下ReenranctLock中condition的应用

Hello ReentrantLock

很多人可能没有用过ReentrantLock，在一些并发情况下因为要保证一些原子性操作，可能也会用到。但是大多数人很少接触高并发的场景，所以用这个类的人可能很少。

但是在一些开源项目中还是有使用到的，比如Spring Cloud的Eureka组件。有时候面试也经常考AQS或者并发集合的问题。所以掌握ReentrantLock的原理是非常有必要的。这样你可以驾轻就熟的理解它在开源项目的使用，更不会在面试的时候被问住。

第一点还是先来看个HelloWorld的例子。我们为了保证某些操作同一时间只能有一个线程操作，会对整个操作加一个锁。除了synchronized之外，我们还可以使用ReentrantLock。假设有一个操作是j++。

那么Hello ReentrantLock代码如下：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockDemo {

 static int j = 1;

 public static void main(String[] args) {
  ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
  for(int i=0;i<10;i++){
    new Thread(()->{
      reentrantLock.lock();
      try{
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-结果："+j++);
      }catch (Exception e){

      }finally {
        reentrantLock.unlock();
      }
    }).start();
  }
 }
}

从一张图先鸟瞰下ReentrantLock核心的3个小组件

ReentrantLock核心有3个组件：state、owner、AQS（抽象队列同步器，简单的说就是一个等待队列Queue）。如下图所示：

这里你可以先有个概念就行，你之后会详细的了解到这几个组件作用的。

从JDK源码层面找一下对应的组件

当你有了上面这张图的印象后，我们通过Hello ReentrantLock来分析下它的组件在源码里的体现。

首先还是简单看下ReentrantLock的源码脉络：

它主要脉络有：

1） 一些API方法

2） 3个内部类，Sync、NonfairSync、Sync

3） 1个成员变量Sync对象

了解了源码的大体脉络后，接下来，分析下它的使用过程，首先肯定是创建ReentrantLock，让我们来看看构造函数做了些什么。代码如下：

  public ReentrantLock() {
   sync = new NonfairSync();
  }

发现内部创建了对象，赋值给了sync变量。创建了一个内部类NonfairSync。继续深入可以发现如下代码关系：

static final class NonfairSync extends Sync {


}

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

原来sync变量创建的对象是NonfairSync。它的父类是Sync，而这个类的父类是一个AbstractQueuedSynchronizer。

你可以猜想下，AbstractQueuedSynchronizer这个是什么东西？从名字上看叫做抽象队列同步器，缩写是AQS。咿？这个就是之前提到的AQS啊。

仔细看一下这个父类的脉络：

首先也是一对方法，但是变量很有意思，UnSafe类、head/tail+Node内部类？这让你想到了什么？

没错，上一节刚接触过的Aotmic类Unsafe可以用作CAS操作的类，head/tail+Node内部类这不是LinkedList的数据结构么？这个就是上面提到过ReentrantLock的3个小组件之一——等待队列Queue。

等等，还有一个int state。这个就是上面提到过ReentrantLock的3个小组件之一——state变量。你可以看到这几个变量对应的代码如下：

  private transient volatile Node head;

  private transient volatile Node tail;
 
  private volatile int state;

 

state和 等待队列都看到了，owner去哪里了？原来AQS还有一个父类。叫做AbstractOwnableSynchronizer。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer

 extends AbstractOwnableSynchronizer

 implements java.io.Serializable {

}



public abstract class AbstractOwnableSynchronizer

 implements java.io.Serializable {

 protected AbstractOwnableSynchronizer() { }

 private transient Thread exclusiveOwnerThread;

 protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
  exclusiveOwnerThread = thread;
 }

 protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
 return exclusiveOwnerThread;
 }

}

上面这个exclusiveOwnerThread不就是独占的owner线程的意思么？原来在这里。这就是3个小组件中的最后一个组件-owner****线程。

到这里你就可以得到如下所示的源码层面的组件图：

从JDK源码层面理解AQS的线程第一次加锁

当你有了ReentrantLock加锁过程的这个概念后，来分析下源码就很简单多了。

lock方法源码如下：

  public void lock() {
   sync.lock();
  }

直接调用了ReentrantLock的内部类，Sync组件的lock方法，而Sync组件lock方法是抽象的。如下：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
   abstract void lock();
}

sync这变量，在之前的构造函数中，实际创建的是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的子类：NonfairSync。所以找到对应的lock方法代码如下：

  static final class NonfairSync extends Sync {
   final void lock() {
     if (compareAndSetState(0, 1))
       setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
     else
       acquire(1);
   }

   protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
     return nonfairTryAcquire(acquires);
   }
  }

首先进行的操作就是一个CAS，更新了volatile变量state，由0变为1。底层使用的是Unsafe类操作的。这个和Aotmic类的底层CAS没什么区别，是类似的。

  protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
   // See below for intrinsics setup to support this
   return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
  }

之后如果没有别的线程并发进行CAS操作的话，这个修改state的CAS操作会成功，并且返回true。接着就会执行setExclusiveOwnerThread方法了。这个方法代码如下：

  protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
   exclusiveOwnerThread = thread;
  }

实际就是设置了当前加锁的线程owner。接着整个lock方法就结束了。

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
      setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
      acquire(1);
  }

最终你会得到如下所示的流程图：

小结&思考

其实通过这节，你可以发现，其实ReentrantLock就是基于3个属性来实现的，只不过是通过抽象类封装了公共的属性和操作，而这个抽象类常被我们成为AQS。

第一次加锁其实主要就是

1、CAS操作一个volatile的int state从0->1

2、是指一个onwerThread为加锁线程

3、如果没有竞争的情况，和Queue队列没关系的。

大家学完一个技术后，一定要一会思考和提炼关键点、抽象思想，这个是非常重要的！