16圖，一個State竟然搞出了這么多并發鎖
本文轉載自微信公眾號「程序員jinjunzhu」，作者jinjunzhu。轉載本文請聯系程序員jinjunzhu公眾號。
上篇文章扔掉源碼，15張圖帶你徹底理解java AQS通過15張圖講解了AQS管程模型中入口等待隊列原理。AQS使用FIFO隊列實現了一個鎖相關的并發器模板，可以基于這個模板來實現各種鎖。JDK建議并發鎖工具類使用內部類實現AQS的同步屬性。
今天我們就來聊一聊基于AQS實現的各種鎖。
1 ReentrantLock
我們先來看一下UML類圖：
從圖中可以看到，ReentrantLock使用抽象內部類Sync來實現了AQS的方法，然后基于Sync這個同步器實現了公平鎖和非公平鎖。主要實現了下面3個方法：
- tryAcquire(int arg)：獲取獨占鎖
- tryRelease(int arg)：釋放獨占鎖
- isHeldExclusively：當前線程是否占有獨占鎖
ReentrantLock默認實現的是非公平鎖，可以在構造函數指定。
從實現的方法可以看到，ReentrantLock中獲取的鎖是獨占鎖，我們再來看一下獲取和釋放獨占鎖的代碼：
- public final void acquire(int arg) {
- if (!tryAcquire(arg) &&
- acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
- selfInterrupt();
- }
獨占鎖的特點是調用上面acquire方法，傳入的參數是1。
1.1 獲取公平鎖
獲取鎖首先判斷同步狀態(state)的值。
1.1.1 state等于0
這說明沒有線程占用鎖，當前線程如果符合下面兩個條件，就可以獲取到鎖：
- 沒有前任節點，如下圖：
- CAS的方式更新state值(把0更新成1)成功。
如果獲取獨占鎖成功，會更新AQS中exclusiveOwnerThread為當前線程，這個很容易理解。
1.1.2 state不等于0
這說明已經有線程占有鎖，判斷占有鎖的線程是不是當前線程，如下圖：
state += 1值如果小于0，會拋出異常。
如果獲取鎖失敗，則進入AQS隊列等待喚醒。
1.2 獲取非公平鎖
跟公平鎖相比，非公平鎖的唯一不同是如果判斷到state等于0，不用判斷有沒有前任節點，只要CAS設置state值(把0更新成1)成功，就獲取到了鎖。
1.3 釋放鎖
公平鎖和非公平鎖，釋放邏輯完全一樣，都是在內部類Sync中實現的。釋放鎖需要注意兩點，如下圖：
為什么state會大于1，因為是可以重入的，占有鎖的線程可以多次獲取鎖。
1.4 總結
公平鎖的特點是每個線程都要進行排隊，不用擔心線程永遠獲取不到鎖，但有個缺點是每個線程入隊后都需要阻塞和被喚醒，這一定程度上影響了效率。非公平鎖的特點是每個線程入隊前都會先嘗試獲取鎖，如果獲取成功就不會入隊了，這比公平鎖效率高。但也有一個缺點，隊列中的線程有可能等待很長時間，高并發下甚至可能永遠獲取不到鎖。
2 ReentrantReadWriteLock
我們先來看一下UML類圖：
從圖中可以看到，ReentrantReadWriteLock使用抽象內部類Sync來實現了AQS的方法，然后基于Sync這個同步器實現了公平鎖和非公平鎖。主要實現了下面3個方法：
- tryAcquire(int arg)：獲取獨占鎖
- tryRelease(int arg)：釋放獨占鎖
- tryAcquireShared(int arg)：獲取共享鎖
- tryReleaseShared(int arg)：釋放共享鎖
- isHeldExclusively：當前線程是否占有獨占鎖
可見ReentrantReadWriteLock里面同時用到了共享鎖和獨占鎖。
下圖是定義的幾個常用變量：
下面這2個方法用戶獲取共享鎖和獨占鎖的數量：
- static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
- static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
從sharedCount可以看到，共享鎖的數量要右移16位獲取，也就是說共享鎖占了高16位。從上圖EXCLUSIVE_MASK的定義看到，跟EXCLUSIVE_MASK進行與運算，得到的是低16位的值，所以獨占鎖占了低16位。如下圖：
這樣上面獲取鎖數量的方法就很好理解了。參考1[1]
2.1 讀鎖
讀鎖的實現對應內部類ReadLock。
2.1.1 獲取讀鎖
獲取讀鎖實際上是ReadLock調用了AQS的下面方法,傳入參數是1：
- public final void acquireShared(int arg) {
- if (tryAcquireShared(arg) < 0)
- doAcquireShared(arg);
- }
ReentrantReadWriteLock內部類Sync實現了tryAcquireShared方法，主要包括如下三種情況：
- 使用exclusiveCount方法查看state中是否有獨占鎖，如果有并且獨占線程不是當前線程，返回-1，獲取失敗。
- 使用sharedCount查看state中共享鎖數量，如果讀鎖數量小于最大值(MAX_COUNT=65535)，則再滿足下面3個條件就可以獲取成功并返回1：
- 當前線程不需要阻塞(readerShouldBlock)。在公平鎖中，需要判斷是否有前置節點，如下圖就需要阻塞:
在非公平鎖中，則是判斷第一個節點是不是有獨占鎖，如下圖就需要阻塞:
- 使用CAS把state的值加SHARED_UNIT(65536)。
這里是不是就更理解讀鎖占高位的說法了，獲取一個讀鎖，state的值就要加SHARED_UNIT這么多個。
- 給當前線程的holdCount加1。
如果2失敗，自旋，重復上面的步驟直到獲取到鎖。
tryAcquireShared(獲取共享鎖)會返回一個整數，如下：
- 返回負數：獲取鎖失敗。
- 返回0：獲取鎖成功但是之后再由線程來獲取共享鎖時就會失敗。
- 返回正數:獲取鎖成功而且之后再有線程來獲取共享鎖時也可能會成功。
2.1.2 釋放讀鎖
ReentrantReadWriteLock釋放讀鎖是在ReadLock中調用了AQS下面方法，傳入的參數是1：
- public final boolean releaseShared(int arg) {
- if (tryReleaseShared(arg)) {
- doReleaseShared();
- return true;
- }
- return false;
- }
ReentrantReadWriteLock內部類Sync實現了releaseShared方法，具體邏輯分為下面兩步：
當前線程holdCounter值減1。
CAS的方式將state的值減去SHARED_UNIT。
2.2 寫鎖
寫鎖的實現對應內部類WriteLock。
2.2.1 獲取寫鎖
ReentrantReadWriteLock獲取寫鎖其實是在WriteLock中調用了AQS的下面方法，傳入參數1：
- public final void acquire(int arg) {
- if (!tryAcquire(arg) &&
- acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
- selfInterrupt();
- }
在ReentrantReadWriteLock內部類Sync實現了tryAcquire方法，首先獲取state值和獨占鎖數量(exclusiveCount),之后分如下兩種情況，如下圖：
state不等于0:
- 獨占鎖數量等于0，這時說明有線程占用了共享鎖，如果當前線程不是獨占線程，獲取鎖失敗。
- 獨占鎖數量不等于0，獨占鎖數量加1后大于MAX_COUNT，獲取鎖失敗。
- 上面2種情況不符合，獲取鎖成功，state值加1。
state等于0，判斷當前線程是否需要阻塞(writerShouldBlock)。
在公平鎖中，跟readerShouldBlock的邏輯完全一樣，就是判斷隊列中head節點的后繼節點是不是當前線程。在非公平鎖中，直接返回false，即可以直接嘗試獲取鎖。
如果當前線程不需要阻塞，并且給state賦值成功，使用CAS方式把state值加1，把獨占線程置為當前線程。
2.2.2 釋放寫鎖
ReentrantReadWriteLock釋放寫鎖其實是在WriteLock中調用了AQS的下面方法，傳入參數1：
- public final boolean release(int arg) {
- if (tryRelease(arg)) {
- Node h = head;
- if (h != null && h.waitStatus != 0)
- unparkSuccessor(h);
- return true;
- }
- return false;
- }
ReentrantReadWriteLock在Sync中實現了tryRelease(arg)方法，邏輯如下：
- 判斷當前線程是不是獨占線程，如果不是，拋出異常。
- state值減1后，用新state值判斷獨占鎖數量是否等于0
- 如果等于0，則把獨占線程置為空，返回true，這樣上面的代碼就可以喚醒隊列中的后置節點了
- 如果不等于0，返回false，不喚醒后繼節點。
3 CountDownLatch
我們先來看一下UML類圖：
從上面的圖中看出，CountDownLatch的內部類Sync實現了獲取共享鎖和釋放共享鎖的邏輯。
使用CountDownLatch時，構造函數會傳入一個int類型的參數count，表示調動count次的countDown后主線程才可以被喚醒。
- public CountDownLatch(int count) {
- if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
- this.sync = new Sync(count);
- }
上面的Sync(count)就是將AQS中的state賦值為count。
3.1 await
CountDownLatch的await方法調用了AQS中的acquireSharedInterruptibly(int arg)，傳入參數1，不過這個參數并沒有用。代碼如下：
- public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
- throws InterruptedException {
- if (Thread.interrupted())
- throw new InterruptedException();
- if (tryAcquireShared(arg) < 0)
- doAcquireSharedInterruptibly(arg);
- }
Sync中實現了tryAcquireShared方法，await邏輯如下圖：
上面的自旋過程就是等待state的值不斷減小，只有state值成為0的時候，主線程才會跳出自旋執行之后的邏輯。
3.2 countDown
CountDownLatch的countDown方法調用了AQS的releaseShared(int arg)，傳入參數1，不過這個參數并沒有用。內部類Sync實現了tryReleaseShared方法，邏輯如下圖：
3.3 總結
CountDownLatch的構造函數入參值會賦值給state變量，入隊操作是主線程入隊，每個子線程調用了countDown后state值減1，當state值成為0后喚醒主線程。
4 Semaphore
Semaphore是一個信號量，用來保護共享資源。如果線程要訪問共享資源，首先從Semaphore獲取鎖(信號量)，如果信號量的計數器等于0，則當前線程進入AQS隊列阻塞等待。否則，線程獲取鎖成功，信號量減1。使用完共享資源后，釋放鎖(信號量加1)。
Semaphore跟管程模型不一樣的是，允許多個(構造函數的permits)線程進入管程內部，因此也常用它來做限流。
UML類圖如下：
Semaphore的構造函數會傳入一個int類型參數，用來初始化state的值。
4.1 acquire
獲取鎖的操作調用了AQS中的acquireSharedInterruptibly方法，傳入參數1，代碼見CountDownLatch中await小節。Semaphore在公平鎖和非公平鎖中分別實現了tryAcquireShared方法。
4.1.1 公平鎖
Semaphore默認使用非公平鎖，如果使用公平鎖，需要在構造函數指定。獲取公平鎖邏輯比較簡單，如下圖：
4.1.2 非公平鎖
acquire在非公平的鎖唯一的區別就是不會判斷AQS隊列是否有前置節點(hasQueuedPredecessors)，而是直接嘗試獲取鎖。
除了acquire方法外，還有其他幾個獲取鎖的方法，原理類似，只是調用了AQS中的不同方法。
4.2 release
釋放鎖的操作調用了AQS中的releaseShared(int arg)方法，傳入參數1，在內部類Sync中實現了tryReleaseShared方法，邏輯很簡單：使用CAS的方式將state的值加1，之后喚醒隊列中的后繼節點。
5 ThreadPoolExecutor
ThreadPoolExecutor中也用到了AQS，看下面的UML類圖：
Worker主要在ThreadPoolExecutor中斷線程的時候使用。Worker自己實現了獨占鎖，在中斷線程時首先進行加鎖，中斷操作后釋放鎖。按照官方說法，這里不直接使用ReentrantLock的原因是防止調用控制線程池的方法(類似setCorePoolSize)時能夠重新獲取到鎖，
5.1 tryAcquire
使用CAS的方式把AQS中state從0改為1，把當前線程置為獨占線程。
5.2 tryRelease
把獨占線程置為空，把AQS中state改為0。
Worker初始化的時候會把state置為-1，這樣是不能獲取鎖成功的。只有調用了runWorker方法，才會通過釋放鎖操作把state更為0。這樣保證了只中斷運行中的線程，而不會中斷等待中的線程。
6 總結
AQS基于雙向隊列實現了入口等待隊列，基于state變量實現了各種并發鎖，上篇文章講了入口等待隊列，而這篇文章主要講了基于AQS的并發鎖原理。
在管程模型中，還有一塊兒沒有介紹，就是條件等待隊列，請看下篇。
