作者：小傅哥
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沉淀,、分享,、成長，讓自己和他人都能有所收獲！😄

一,、前言

如果你相信你做什么都能成，你會自信的多！

千萬不要總自我否定，尤其是職場的打工人,。如果你經(jīng)常感覺，這個(gè)做不好，那個(gè)學(xué)不會，別的也不懂，那么久而久之會越來越缺乏自信。

一般說能成事的人都具有賭徒精神，在他們眼里只要做這事那就一定能成，當(dāng)然也有可能最后就沒成，但在整個(gè)過程中人的心態(tài)是良好的，每天都有一個(gè)飽滿的精神狀態(tài)，孜孜不倦的奮斗著,。最后也就是這樣的斗志讓走在一個(gè)起點(diǎn)的小伙伴，有了差距,。

二、面試題

謝飛機(jī)，小記，今天打工人呀，明天早上困呀，嘟嘟嘟，喂？誰呀，打農(nóng)藥呢！？

謝飛機(jī)：哎呦，面試官大哥，咋了！

面試官：偷偷告訴你哈，你一面過了,。

謝飛機(jī)：嘿嘿，真的呀！太好了！哈哈哈，那我還準(zhǔn)備點(diǎn)什么呢！？

面試官：二面會比較難嘍，嗯，我順便問你一個(gè)哈,。AQS 你了解嗎，ReentrantLock 獲取鎖的過程是什么樣的？什么是 CAS？…

謝飛機(jī)：我我我，腦子還在后羿射箭里，我一會就看看！！

面試官：好好準(zhǔn)備下吧，打工人，打工魂！

三、ReentrantLock 和 AQS

1. ReentrantLock 知識鏈

ReentrantLock 可重入獨(dú)占鎖涉及的知識點(diǎn)較多，為了更好的學(xué)習(xí)這些知識，在上一章節(jié)先分析源碼和學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了公平鎖的幾種方案,。包括：CLH,、MCS、Ticket，通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，再來理解 ReentrantLock 中關(guān)于 CLH 的變體實(shí)現(xiàn)和相應(yīng)的應(yīng)用就比較容易了,。

接下來沿著 ReentrantLock 的知識鏈，繼續(xù)分析 AQS 獨(dú)占鎖的相關(guān)知識點(diǎn)，如圖 17-1

在這部分知識學(xué)習(xí)中，會主要圍繞 ReentrantLock 中關(guān)于 AQS 的使用進(jìn)行展開，逐步分析源碼了解原理,。

AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 的縮寫，幾乎所有 Lock 都是基于 AQS 來實(shí)現(xiàn)了，其底層大量使用 CAS 提供樂觀鎖服務(wù)，在沖突時(shí)采用自旋方式進(jìn)行重試，以此實(shí)現(xiàn)輕量級和高效的獲取鎖,。

另外 AbstractQueuedSynchronizer 是一個(gè)抽象類，但并沒有定義相應(yīng)的抽象方法，而是提供了可以被字類繼承時(shí)覆蓋的 protected 的方法，這樣就可以非常方便的支持繼承類的使用。

2. 寫一個(gè)簡單的 AQS 同步類

在學(xué)習(xí) ReentrantLock 中應(yīng)用的 AQS 之前，先實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的同步類，來體會下 AQS 的作用,。

2.1 代碼實(shí)現(xiàn)

public class SyncLock {

    private final Sync sync;

    public SyncLock() {
        sync = new Sync();
    }

    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

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

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            return compareAndSetState(0, 1);
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            setState(0);
            return true;
        }

        // 該線程是否正在獨(dú)占資源，只有用到 Condition 才需要去實(shí)現(xiàn)
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }
    }

}

這個(gè)實(shí)現(xiàn)的過程屬于 ReentrantLock 簡版，主要包括如下內(nèi)容：

1. Sync 類繼承 AbstractQueuedSynchronizer，并重寫方法：tryAcquire,、tryRelease、isHeldExclusively,。
2. 這三個(gè)方法基本是必須重寫的，如果不重寫在使用的時(shí)候就會拋異常 UnsupportedOperationException,。
3. 重寫的過程也比較簡單，主要是使用 AQS 提供的 CAS 方法。以預(yù)期值為 0，寫入更新值 1，寫入成功則獲取鎖成功,。其實(shí)這個(gè)過程就是對 state 使用 unsafe 本地方法，傳遞偏移量 stateOffset 等參數(shù)，進(jìn)行值交換操作,。unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update)
4. 最后提供 lock、unlock 兩個(gè)方法，實(shí)際的類中會實(shí)現(xiàn) Lock 接口中的相應(yīng)方法，這里為了簡化直接自定義這樣兩個(gè)方法,。

2.2 單元測試

@Test
public void test_SyncLock() throws InterruptedException {
    final SyncLock lock = new SyncLock();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Thread.sleep(200);
        new Thread(new TestLock(lock), String.valueOf(i)).start();
    }
    Thread.sleep(100000);
}

static class TestLock implements Runnable {
    private SyncLock lock;
    public TestLock(SyncLock lock) throws InterruptedException {
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(String.format("Thread %s Completed", Thread.currentThread().getName()));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

• 以上這個(gè)單元測試和我們在上一章節(jié)介紹公平鎖時(shí)是一樣的，驗(yàn)證順序輸出,。當(dāng)然你也可以選擇多線程操作一個(gè)方法進(jìn)行加和運(yùn)算。
• 在測試的過程中可以嘗試把加鎖代碼注釋掉，進(jìn)行比對,。如果可以順序輸出，那么就是預(yù)期結(jié)果。

測試結(jié)果

Thread 0 Completed
Thread 1 Completed
Thread 2 Completed
Thread 3 Completed
Thread 4 Completed
Thread 5 Completed
Thread 6 Completed
Thread 7 Completed
Thread 8 Completed
Thread 9 Completed

• 從測試結(jié)果看，以上 AQS 實(shí)現(xiàn)的同步類，滿足預(yù)期效果,。
• 有了這段代碼的概念結(jié)構(gòu)，接下來在分析 ReentrantLock 中的 AQS 使用就有一定的感覺了！

3. CAS 介紹

CAS 是 compareAndSet 的縮寫，它的應(yīng)用場景就是對一個(gè)變量進(jìn)行值變更，在變更時(shí)會傳入兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是預(yù)期值,、另外一個(gè)是更新值。如果被更新的變量預(yù)期值與傳入值一致，則可以變更,。

CAS 的具體操作使用到了 unsafe 類，底層用到了本地方法 unsafe.compareAndSwapInt 比較交換方法,。

CAS 是一種無鎖算法，這種操作是 CPU 指令集操作，只有一步原子操作，速度非常快,。而且 CAS 避免了請求操作系統(tǒng)來裁定鎖問題，直接由 CPU 搞定，但也不是沒有開銷，比如 Cache Miss，感興趣的小伙伴可以自行了解 CPU 硬件相關(guān)知識,。

4. AQS 核心源碼分析

4.1 獲取鎖流程圖

圖 17-2 就是整個(gè) ReentrantLock 中獲取鎖的核心流程，包括非公平鎖和公平鎖的一些交叉流程。接下來我們就以此按照此流程來講解相應(yīng)的源碼部分,。

4.2 lock

ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)了非公平鎖和公平鎖，所以在調(diào)用 lock.lock(); 時(shí)，會有不同的實(shí)現(xiàn)類：

1. 非公平鎖，會直接使用 CAS 進(jìn)行搶占，修改變量 state 值,。如果成功則直接把自己的線程設(shè)置到 exclusiveOwnerThread，也就是獲得鎖成功。不成功后續(xù)分析
2. 公平鎖，則不會進(jìn)行搶占，而是規(guī)規(guī)矩矩的進(jìn)行排隊(duì),。老實(shí)人

4.3 compareAndSetState

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

在非公平鎖的實(shí)現(xiàn)類里，獲取鎖的過程，有這樣一段 CAS 操作的代碼,。compareAndSetState 賦值成功則獲取鎖。那么 CAS 這里面做了什么操作？

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

往下翻我們看到這樣一段代碼，這里是 unsafe 功能類的使用，兩個(gè)參數(shù)到這里變成四個(gè)參數(shù),。多了 this,、stateOffset。this 是對象本身，那么 stateOffset 是什么？

stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
    (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));

再往下看我們找到，stateOffset 是偏移量值，偏移量是一個(gè)固定的值,。接下來我們就看看這個(gè)值到底是多少！

引用POM jol-cli

<!-- https:///artifact/org.openjdk.jol/jol-cli -->
<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-cli</artifactId>
    <version>0.14</version>
</dependency>

單元測試

@Test
public void test_stateOffset() throws Exception {
    Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
    long state = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
    System.out.println(state);
}

// 16

• 通過 getUnsafeInstance 方法獲取 Unsafe，這是一個(gè)固定的方法,。
• 在獲取 AQS 類中的屬性字段 state 的偏移量，16。
• 除了這個(gè)屬性外你還可以拿到：headOffset,、tailOffset,、waitStatusOffset,、nextOffset，的值，最終自旋來變更這些變量的值。

4.4 (AQS)acquire

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

整個(gè)這塊代碼里面包含了四個(gè)方法的調(diào)用，如下：

1. tryAcquire，分別由繼承 AQS 的公平鎖（FairSync）,、非公平鎖（NonfairSync）實(shí)現(xiàn),。
2. addWaiter，該方法是 AQS 的私有方法，主要用途是方法 tryAcquire 返回 false 以后，也就是獲取鎖失敗以后，把當(dāng)前請求鎖的線程添加到隊(duì)列中，并返回 Node 節(jié)點(diǎn)。
3. acquireQueued，負(fù)責(zé)把 addWaiter 返回的 Node 節(jié)點(diǎn)添加到隊(duì)列結(jié)尾，并會執(zhí)行獲取鎖操作以及判斷是否把當(dāng)前線程掛起,。
4. selfInterrupt，是 AQS 中的 Thread.currentThread().interrupt() 方法調(diào)用，它的主要作用是在執(zhí)行完 acquire 之前自己執(zhí)行中斷操作,。

4.5 tryAcquire

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

這部分獲取鎖的邏輯比較簡單，主要包括兩部分：

1. 如果 c == 0，鎖沒有被占用，嘗試使用 CAS 方式獲取鎖，并返回 true。
2. 如果 current == getExclusiveOwnerThread()，也就是當(dāng)前線程持有鎖，則需要調(diào)用 setState 進(jìn)行鎖重入操作,。setState 不需要加鎖，因?yàn)槭窃谧约旱漠?dāng)前線程下,。
3. 最后如果兩種都不滿足😌，則返回 false。

4.6 addWaiter

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    // 如果隊(duì)列不為空, 使用 CAS 方式將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)為尾節(jié)點(diǎn)
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 隊(duì)列為空,、CAS失敗，將節(jié)點(diǎn)插入隊(duì)列
    enq(node);
    return node;
}

• 當(dāng)執(zhí)行方法 addWaiter，那么就是 !tryAcquire = true，也就是 tryAcquire 獲取鎖失敗了,。
• 接下來就是把當(dāng)前線程封裝到 Node 節(jié)點(diǎn)中，加入到 FIFO 隊(duì)列中。因?yàn)橄冗M(jìn)先出，所以后來的隊(duì)列加入到隊(duì)尾
• compareAndSetTail 不一定一定成功，因?yàn)樵诓l(fā)場景下，可能會出現(xiàn)操作失敗,。那么失敗后，則需要調(diào)用 enq 方法，該方法會自旋操作，把節(jié)點(diǎn)入隊(duì)列,。

enq

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

• 自旋轉(zhuǎn)for循環(huán) + CAS 入隊(duì)列。
• 當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，則會新創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，把尾節(jié)點(diǎn)指向頭節(jié)點(diǎn)，然后繼續(xù)循環(huán),。
• 第二次循環(huán)時(shí)，則會把當(dāng)前線程的節(jié)點(diǎn)添加到隊(duì)尾,。head 節(jié)是一個(gè)無用節(jié)點(diǎn)，這和我們做CLH實(shí)現(xiàn)時(shí)類似

注意，從尾節(jié)點(diǎn)逆向遍歷

1. 首先這里的節(jié)點(diǎn)連接操作并不是原子，也就是說在多線程并發(fā)的情況下，可能會出現(xiàn)個(gè)別節(jié)點(diǎn)并沒有設(shè)置 next 值，就失敗了。
2. 但這些節(jié)點(diǎn)的 prev 是有值的，所以需要逆向遍歷，讓 prev 屬性重新指向新的尾節(jié)點(diǎn)，直至全部自旋入隊(duì)列,。

4.7 acquireQueued

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)就是head節(jié)點(diǎn)時(shí), 再次嘗試獲取鎖
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 獲取鎖失敗后, 判斷是否把當(dāng)前線程掛起
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

當(dāng)獲取鎖流程走到這，說明節(jié)點(diǎn)已經(jīng)加入隊(duì)列完成,。看源碼中接下來就是讓該方法再次嘗試獲取鎖，如果獲取鎖失敗會判斷是否把線程掛起,。

setHead

private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

在學(xué)習(xí) CLH 公平鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中講到Head節(jié)點(diǎn)是一個(gè)虛節(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是Head節(jié)點(diǎn)，那么說明此時(shí)Node節(jié)點(diǎn)排在隊(duì)列最前面，可以嘗試獲取鎖,。

獲取鎖后設(shè)置Head節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程就是一個(gè)出隊(duì)列過程，原來節(jié)點(diǎn)設(shè)置Null方便GC。

shouldParkAfterFailedAcquire

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
    // SIGNAL 設(shè)置了前一個(gè)節(jié)點(diǎn)完結(jié)喚醒，安心干別的去了，這里是睡,。
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

你是否還CANCELLED,、SIGNAL、CONDITION ,、PROPAGATE ，這四種狀態(tài)，在這個(gè)方法中用到了兩種如下：

1. CANCELLED，取消排隊(duì)，放棄獲取鎖,。
2. SIGNAL，標(biāo)識當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)已經(jīng)被掛起，意思就是大家一起排隊(duì)上廁所，隊(duì)伍太長了，后面的謝飛機(jī)說，我去買個(gè)油條哈，一會到我了，你微信我哈。其實(shí)就是當(dāng)前線程執(zhí)行完畢后，需要額外執(zhí)行喚醒后繼節(jié)點(diǎn)操作,。

那么，以上這段代碼主要的執(zhí)行內(nèi)容包括：

1. 如果前一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)是 SIGNAL，則返回 true,。安心睡覺😪等著被叫醒
2. 如果前一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)是 CANCELLED，就是它放棄了，則繼續(xù)向前尋找其他節(jié)點(diǎn)。
3. 最后如果什么都沒找到，就給前一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置個(gè)鬧鐘 SIGNAL，等著被通知,。

4.8 parkAndCheckInterrupt

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
    parkAndCheckInterrupt())
    interrupted = true;

// 線程掛起等待被喚醒    
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}    

• 當(dāng)方法 shouldParkAfterFailedAcquire 返回 false 時(shí)，則執(zhí)行 parkAndCheckInterrupt() 方法,。
• 那么，這一段代碼就是對線程的掛起操作，LockSupport.park(this);。
• Thread.interrupted() 檢查當(dāng)前線程的中斷標(biāo)識,。

四,、總結(jié)

• ReentrantLock 的知識比較多，涉及的代碼邏輯也比較復(fù)雜，在學(xué)習(xí)的過程中需要對照源碼和相關(guān)并發(fā)書籍和資料一起學(xué)習(xí)，以及最好的是自身實(shí)踐,。
• AQS 的實(shí)現(xiàn)部分涉及的內(nèi)容較多，例如：state 屬性使用 unsafe 提供的本地方法進(jìn)行 CAS 操作，把初始值 0 改為 1，則獲得了鎖。addWaiter,、acquireQueued,、shouldParkAfterFailedAcquire、parkAndCheckInterrupt等，可以細(xì)致總結(jié),。
• 所有的 Lock 都是基于 AQS 來實(shí)現(xiàn)了,。AQS 和 Condition 各自維護(hù)了不同的隊(duì)列，在使用 Lock 和 Condition 的時(shí)候，就是兩個(gè)隊(duì)列的互相移動。這句話可以細(xì)細(xì)體會,。可能文中會有一些不準(zhǔn)確或者錯(cuò)字，歡迎留言，我會不斷的更新博客,。

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