JDK中提供的Lock

Lock

由于synchronized在很多情况下是不可控的，所以在jdk5出现了一个新的加锁方式Lock，提供了无条件的，可轮询的，可定时的，可中断的所获取操作，所有加锁和解锁都是显式的

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public interface Lock {
  	// 获取锁，会阻塞
    void lock();
		// 如果当前线程未被中断，则获取锁
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
		// 尝试获取锁，如果锁可用，则获取锁，返回true；如果锁不可用，则返回false
    boolean tryLock();
		// 尝试获取锁，设置超时时间，如果该时间内没有获取到锁，则返回false
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
		// 释放锁
    void unlock();
		// 将Condition绑定到该Lock实例上
    Condition newCondition();
}

主要有三个实现类ReentrantLock重入锁、ReentrantReadWriteLock.ReadLock读锁、ReentrantReadWriteLock.WriteLock写锁

ReentrantLock重入锁

ReentrantLock为Lock的实现类，实现了标准的互斥锁，底层使用AQS实现线程同步，使用CAS，比synchronized效率略高，一次最多只有一个线程持有ReentrantLock ---> 有公平锁和非公平锁，是可重入锁，每次重入会把拥有数++

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private transient volatile Node head;

private transient volatile Node tail;

// Node存储等待的线程  本质是一个双向链表
static final class Node{
  // 节点等待状态
  volatile int waitStatus;
  volatile Node prev;
  volatile Node next;
}

公平锁和非公平锁

内部使用的是AQS，继承自AbstractQueuedSynchronizer来实现自身的功能，公平锁FairSync和非公平锁NonfairSync继承自Sync分别实现了获取锁的公平与非公平策略，公平与非公平的区别在于获取锁的时候是否按照FIFO的顺序来

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// 继承自AbstractQueuedSynchronizer的state变量状态值表示的是线程获取该锁的可重入次数，为0则表示当前锁没有被任何线程持有；线程持有之后会变成1，并记录该锁的持有者为当前线程，在没有释放锁的情况下第二次获取该锁，状态值就会被设置为2；然后释放锁时，会进行减1操作，直到状态值为0，则当前线程释放锁
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer

ReentrantLock默认是非公平锁

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

public ReentrantLock(boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

公平锁

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.FairSync 公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。

优点是等待锁的线程不会饿死。
缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大

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static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

    final void lock() {
        acquire(1);
    }
  // AQS中的方法  队列中当前节点是否有前驱结点
  public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
    		// h != t表示头节点不等于尾结点，如果h==t表示当前队列为空
    		//  h != t && s == null，则说明有一个元素将要作为AQS的第一个节点入队
    		// h != t && s != null &&  s.thread != Thread.currentThread() 说明当前队列里的第一个元素不是当前线程
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

    /**
     * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
     * recursive call or no waiters or is first.
     */
  // 会尝试再次通过CAS获取一次锁
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
      // getState 为0，表示没有线程持有锁
        if (c == 0) {
          // 公平策略的体现
          // 看当前线程是否有前驱节点(即是否在队列头)，如果在队头则尝试更改status是否成功
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
              // 设置当前线程为占有线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
      // getState 不为0，表示有线程持有锁，判断是否为当前线程占有
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
          // 将进入次数加一，由于是可重入锁，所以进入一次就加一，出去一次就减一
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

// AbstractQueuedSynchronizer中的acquire方法
public final void acquire(int arg) {
  // tryAcquire会尝试再次通过CAS获取一次锁
  // tryAcquire为true则成功获取到锁
  // tryAcquire为false，则执行acquireQueued入队
  if (!tryAcquire(arg) &&
      // Node.EXCLUSIVE表示独占锁模式  ReentrantLock是独占锁
      // acquireQueued 通过自旋，判断当前队列节点是否可以获取锁
      // addWaiter 将当前线程加入上面锁的双向链表（等待队列）中
      acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
    selfInterrupt();
}


private Node addWaiter(Node mode) {
  Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
  // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
  Node pred = tail;
  // 尾结点不为null，说明队列已经进行初始化了
  if (pred != null) {
    node.prev = pred;
    // 将当前节点加入到链表的尾部
    if (compareAndSetTail(pred, node)) {
      pred.next = node;
      return node;
    }
  }
  // 初始化队列,并且把node节点追加到队列尾部
  enq(node);
  return node;
}

非公平锁

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync 非公平锁

非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。

优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程
缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

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static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    /**
     * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
     * acquire on failure.
     */
    final void lock() {
      // 非公平锁先尝试获取锁，获取到锁就直接占有
      // 尝试将state从0变成1
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
          // 所已经被占用，没有获取到锁，执行AQS的acquire方法，去同步队列中排队
            acquire(1);
    }

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

// Sync的nonfairTryAcquire方法
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
  					// getState 为0，表示没有线程持有锁
            if (c == 0) {
              // 直接争抢锁资源
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
  					// state不为0，说明此时有线程持有该锁，如果当前线程是锁的持有者
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
              // 将状态值加1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow  可重入次数溢出了
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
  				// 已经有线程持有该锁了，且不是当前线程，没有获取到锁资源，就放入到AQS阻塞队列中排队
            return false;
        }

state状态 0.未占用 1.已占用大于1 重入使用CAS来修改state状态

使用多条件Condition

使用Lock可以一个锁关联一个或多个条件，这些条件通过Condition接口声明，该接口中提供了挂起线程和唤醒线程的机制

Condition其实就对应于之前synchronized中的对象监视器

synchronized(obj){

}

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public interface Condition {

    // 进入等待状态
    void await() throws InterruptedException;

    
    void awaitUninterruptibly();

    
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

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

    
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

    
    void signal();

   
    void signalAll();
}

其内部维护了一个FIFO队列，在队列中每个节点都包含了一个线程引用，该线程就是在该Condition对象上等待的线程

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public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;

调用await方法时会创建一个新的Node，将Node加入到队列的队尾

使用方式

java 复制代码

private volatile ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private volatile Condition consumerCondition = lock.newCondition();
private volatile Condition producerCondition = lock.newCondition();

此时就维护了两个不同的条件队列consumerCondition和producerCondition，会进入到不同的条件队列中进行排队阻塞

ReadWriteLock读写锁

ReentrantLock是重入排他锁，在一个时刻仅有一个线程可以进行访问，但是在大多数场景下，大部分时间都是进行读操作，写操作占用时间较少，而且读操作不存在数据竞争问题，所以提供了读写锁

ReadWriteLock读写锁暴露了两个Lock，一个用来读，一个用来写。加锁策略是允许多个读者同时读，但是只能有一个写者，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥，采用了读写分离的策略

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public interface ReadWriteLock {
  	// 读锁是共享锁
    Lock readLock();
		// 写锁是独占锁
    Lock writeLock();
}

ReentrantReadWriteLock为ReadWriteLock的实现类，同样支持公平和非公平

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ReentrantReadWriteLock
// 返回当前读锁被获取的次数
public int getReadLockCount() {
  return sync.getReadLockCount();
}
// 返回当前线程获取读锁的次数
public int getReadHoldCount() {
  return sync.getReadHoldCount();
}
// 返回当前写锁被获取的次数
public int getWriteHoldCount() {
  return sync.getWriteHoldCount();
}
// 写锁是否被获取
public boolean isWriteLocked() {
  return sync.isWriteLocked();
}

java 复制代码

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;

    /*
     * Read vs write count extraction constants and functions.
     * Lock state is logically divided into two unsigned shorts:
     * The lower one representing the exclusive (writer) lock hold count,
     * and the upper the shared (reader) hold count.
     */
		// AQS中的只有一个state状态，但是ReentrantReadWriteLock中需要维护读写两种状态，所以将state进行分割
    // 高16位代表读状态，用来表示获取读锁的次数
  	// 低16位代表获取写锁的线程的重入次数
    static final int SHARED_SHIFT   = 16;
  	// 共享锁(读锁)状态单位值65536
    static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
  	// 共享锁(读锁)线程最大个数65535
    static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
  	// 排他锁掩码，二进制，15个1
    static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
  	
  	/** Returns the number of shared holds represented in count  */
  	// 读锁线程数  右移16位
  	static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
  	/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
  	// 写锁重入数
  	static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
  
  // 存放除去第一个获取读锁线程的其他线程获取读锁的重入次数
  private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
	// 记录最后一个获取读锁的线程的重入次数
  private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
	// 记录第一个获取到读锁的线程
  private transient Thread firstReader = null;
  // 记录第一个获取到读锁的线程获取读锁的重入次数
  private transient int firstReaderHoldCount;
  
    static final class HoldCounter {
      int count = 0;
      // Use id, not reference, to avoid garbage retention
      final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
    }

  static final class ThreadLocalHoldCounter
    extends ThreadLocal<HoldCounter> {
    public HoldCounter initialValue() {
      return new HoldCounter();
    }
  }
}

其中包含有读锁ReadLock和写锁WriteLock

读锁ReadLock

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public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L;
    private final Sync sync;
    protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
        sync = lock.sync;
    }
		// 获取读锁，如果当前没有线程持有写锁，则可以获取读锁
    public void lock() {
        sync.acquireShared(1);
    }
    // 可中断
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryReadLock();
    }

    
    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

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

Sync中读锁的操作

java 复制代码

// 获取读锁
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
  
  Thread current = Thread.currentThread();
  int c = getState();
  // 写状态不等于0并且锁的持有者不是当前线程
  // 已经有其他线程获取到写锁了，此时无法获取读锁
  if (exclusiveCount(c) != 0 &&
      getExclusiveOwnerThread() != current)
    return -1;
  // 获取读锁的数量
  int r = sharedCount(c);
  // 尝试获取锁，compareAndSetState多个读线程同时操作时，只有一个线程会成功，如果失败，会执行fullTryAcquireShared方法进行重试
  if (!readerShouldBlock() &&
      r < MAX_COUNT &&
      compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
    // 读锁数量为0，说明该线程是第一个获取到读锁的
    if (r == 0) {
      firstReader = current;
      firstReaderHoldCount = 1;
      // 如果当前线程是第一个获取到读锁的线程，将数量+1
    } else if (firstReader == current) {
      firstReaderHoldCount++;
    } else {
      // cachedHoldCounter记录最后一个获取读锁的线程以及该线程获取读锁的重入数
      HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
      if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
        cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
      else if (rh.count == 0)
        //readHolds记录了当前线程获取读锁的可重入数
        readHolds.set(rh);
      rh.count++;
    }
    return 1;
  }
  return fullTryAcquireShared(current);
}

// 释放读锁
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
  Thread current = Thread.currentThread();
  if (firstReader == current) {
    // assert firstReaderHoldCount > 0;
    if (firstReaderHoldCount == 1)
      firstReader = null;
    else
      firstReaderHoldCount--;
  } else {
    HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
      rh = readHolds.get();
    int count = rh.count;
    if (count <= 1) {
      readHolds.remove();
      if (count <= 0)
        throw unmatchedUnlockException();
    }
    --rh.count;
  }
  // 循环读取计数，直到CAS更新成功
  for (;;) {
    int c = getState();
    int nextc = c - SHARED_UNIT;
    if (compareAndSetState(c, nextc))
      // Releasing the read lock has no effect on readers,
      // but it may allow waiting writers to proceed if
      // both read and write locks are now free.
      return nextc == 0;
  }
}

WriteLock写锁

java 复制代码

public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -4992448646407690164L;
    private final Sync sync;

    protected WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
        sync = lock.sync;
    }

    // 写锁是独占锁，只有一个线程可以获取该锁，如果当前没有线程获取到读锁和写锁，则当前线程可以获取到写锁
  // 如果当前已有线程获取到读锁和写锁，则当前请求写锁的线程会被阻塞
  // 且写锁是可重入锁，如果当前线程已经获取了该锁，再次获取只是简单的把重入次数+1
    public void lock() {
      	// 会去执行Sync中重写的tryAcquire方法
        sync.acquire(1);
    }

    // 会对中断进行响应
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    // 尝试获得写锁
    public boolean tryLock( ) {
        return sync.tryWriteLock();
    }

    // 超时重新激活
    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

    
    public void unlock() {
      // 会调用tryRelease
        sync.release(1);
    }

    
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

    
    public boolean isHeldByCurrentThread() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }

    
    public int getHoldCount() {
        return sync.getWriteHoldCount();
    }
}

Sync类中对于写锁的操作

java 复制代码

// 获取写锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    
    Thread current = Thread.currentThread();
  	// 在state中会使用高16位表示读锁状态（读锁个数），低16位表示写锁状态（写锁个数）
  	// 当前锁的个数
    int c = getState();
  	// 写锁的个数
    int w = exclusiveCount(c);
  	// 当前有线程持有锁(可能是读锁，也可能是写锁)
    if (c != 0) {
        // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
      	// w==0 写锁数量为0，说明已经有线程获取了读锁
      	// w!=0 && current != getExclusiveOwnerThread() 说明当前线程不是写锁的持有者
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
      	// 说明当前线程获得了写锁，但是重入次数大于最大值会抛出异常
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // Reentrant acquire  走到这里说明是当前线程重入
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
  	// 此时持有锁的数量是0，可以正常获取写锁
    if (writerShouldBlock() ||
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

// 释放写锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
  // 是否为写锁的拥有者调用的
  if (!isHeldExclusively())
    throw new IllegalMonitorStateException();
  // 获取重入值，这里不需要考虑高位，因为写锁是独占锁，此时读锁的数量肯定是0
  int nextc = getState() - releases;
  boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
  // 如果写锁的数量为0，则释放锁，将持有线程置为null
  if (free)
    setExclusiveOwnerThread(null);
  // 设置state
  setState(nextc);
  return free;
}

与synchronized比较

Lock使用代码实现CAS，为API层面上的互斥锁；synchronized通过jvm的monitor实现的，为原语层面的互斥锁
使用ReentrantLock可以设置尝试获取锁的等待时间，超过该时间则中断等待，
Lock可以实现公平锁和非公平锁，synchronized是非公平锁，可能会造成线程饥饿现象
ReentrantLock可以绑定多个条件Condition对象，对线程的等待、唤醒操作更加详细灵活
ReentrantLock对于锁的可操作性强；而synchronized的操作都是JVM隐式操作的
Lock可以实现独占模式和共享模式，如读写锁，而synchronize只提供独占模式

锁的分类

以是否可重入分类

可重入锁 synchronized、ReetrantLock
不可重入锁

以是否公平分类

公平锁秉持着先来后到的原则
非公平锁

以并发度来进行分类

读写锁同一时刻允许多个线程访问，ReentrantReadWriteLock
排他锁同一时刻只允许一个线程进行访问，synchronized、ReentrantLock

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