深入淺出Java鎖--Lock實現原理(底層實現)
轉載Linias 最後發佈於2018-12-21 16:25:53 閱讀數 2296 收藏
當多個線程需要訪問某個公共資源的時候，我們知道需要通過加鎖來保證資源的訪問不會出問題。
java提供了兩種方式來加鎖，一種是關鍵字：synchronized，一種是concurrent包下的lock鎖。
synchronized是java底層支持的，而concurrent包則是jdk實現。
關於synchronized的原理可以閱讀再有人問你synchronized是什麼，就把這篇文章發給他。
在這裏，我會用儘可能少的代碼，儘可能輕鬆的文字，儘可能多的圖來看看lock的原理。
我們以ReentrantLock爲例做分析，其他原理類似。
我把這個過程比喻成一個做菜的過程，有什麼菜，做法如何？
我先列出lock實現過程中的幾個關鍵詞：計數值、雙向鏈表、CAS+自旋
我們以ReentrantLock爲例做分析，其他原理類似。
實現原理
ReentrantLock() 幹了啥
-
public ReentrantLock() { -
sync = new NonfairSync(); -
}
在lock的構造函數中，定義了一個NonFairSync，
static final class NonfairSync extends Sync
NonfairSync 又是繼承於Sync
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
一步一步往上找，找到了
這個鬼AbstractQueuedSynchronizer（簡稱AQS），最後這個鬼，又是繼承於AbstractOwnableSynchronizer(AOS)，AOS主要是保存獲取當前鎖的線程對象，代碼不多不再展開。最後我們可以看到幾個主要類的繼承關係：
FairSync 與 NonfairSync的區別在於，是不是保證獲取鎖的公平性，因爲默認是NonfairSync，我們以這個爲例瞭解其背後的原理。
其他幾個類代碼不多，最後的主要代碼都是在AQS中，我們先看看這個類的主體結構。
看看AbstractQueuedSynchronizer是個什麼
再看看Node是什麼？
看到這裏的同學，是不是有種熱淚盈眶的感覺，這尼瑪，不就是雙向鏈表麼？我還記得第一次寫這個數據結構的時候，發現居然還有這麼神奇的一個東西。
最後我們可以發現鎖的存儲結構就兩個東西:"雙向鏈表" + "int類型狀態"。
需要注意的是，他們的變量都被"transient和volatile修飾。
一個int值，一個雙向鏈表是如何烹飪處理鎖這道菜的呢，Doug Lea大神就是大神，
我們接下來看看，如何獲取鎖？
lock.lock()怎麼獲取鎖？
-
public void lock() { -
sync.lock(); -
}
可以看到調用的是，NonfairSync.lock()
看到這裏，我們基本有了一個大概的瞭解，還記得之前AQS中的int類型的state值，
這裏就是通過CAS（樂觀鎖）去修改state的值。lock的基本操作還是通過樂觀鎖來實現的。
獲取鎖通過CAS，那麼沒有獲取到鎖，等待獲取鎖是如何實現的？我們可以看一下else分支的邏輯，acquire方法：
-
public final void acquire(int arg) { -
if (!tryAcquire(arg) && -
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) -
selfInterrupt(); -
}
這裏幹了三件事情：
-
tryAcquire：會嘗試再次通過CAS獲取一次鎖。
-
addWaiter：將當前線程加入上面鎖的雙向鏈表（等待隊列）中
-
acquireQueued：通過自旋，判斷當前隊列節點是否可以獲取鎖。
addWaiter() 添加當前線程到等待鏈表中
可以看到，通過CAS確保能夠在線程安全的情況下，將當前線程加入到鏈表的尾部。
enq是個自旋+上述邏輯，有興趣的可以翻翻源碼。
acquireQueued() 自旋+CAS嘗試獲取鎖
可以看到，噹噹前線程到頭部的時候，嘗試CAS更新鎖狀態，如果更新成功表示該等待線程獲取成功。從頭部移除。
每一個線程都在 自旋+CAS
最後簡要概括一下，獲取鎖的一個流程
lock.unlock() 釋放鎖
-
public void unlock() { -
sync.release(1); -
}
可以看到調用的是，NonfairSync.release()
最後又調用了NonfairSync.tryRelease()
基本可以確認，釋放鎖就是對AQS中的狀態值State進行修改。同時更新下一個鏈表中的線程等待節點。
總結
lock的存儲結構：一個int類型狀態值（用於鎖的狀態變更），一個雙向鏈表（用於存儲等待中的線程）
lock獲取鎖的過程：本質上是通過CAS來獲取狀態值修改，如果當場沒獲取到，會將該線程放在線程等待鏈表中。
lock釋放鎖的過程：修改狀態值，調整等待鏈表。
可以看到在整個實現過程中，lock大量使用CAS+自旋。因此根據CAS特性，lock建議使用在低鎖衝突的情況下。目前java1.6以後，官方對synchronized做了大量的鎖優化（偏向鎖、自旋、輕量級鎖）。因此在非必要的情況下，建議使用synchronized做同步操作。
最後，希望我的分析，能對你理解鎖的實現有所幫助。