Java SDK 为什么要设计 Lock

曾几何时幻想过，如果 Java 并发控制只有 synchronized 多好，只有下面三种使用方式，简单方便

public class ThreeSync {private static final Object object = new Object();public synchronized void normalSyncMethod(){//临界区}public static synchronized void staticSyncMethod(){//临界区}public void syncBlockMethod(){synchronized (object){//临界区}}
}

如果在 Java 1.5之前，确实是这样，自从 1.5 版本 Doug Lea 大师就重新造了一个轮子 Lock

我们常说：“避免重复造轮子”，如果有了轮子还是要坚持再造个轮子，那么肯定传统的轮子在某些应用场景中不能很好的解决问题

不知你是否还记得 Coffman 总结的四个可以发生死锁的情形 ，其中【不可剥夺条件】是指：

线程已经获得资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时自己释放

要想破坏这个条件，就需要具有申请不到进一步资源就释放已有资源的能力

很显然，这个能力是 synchronized 不具备的，使用 synchronized ，如果线程申请不到资源就会进入阻塞状态，我们做什么也改变不了它的状态，这是 synchronized 轮子的致命弱点，这就强有力的给了重造轮子 Lock 的理由

显式锁 Lock

旧轮子有弱点，新轮子就要解决这些问题，所以要具备不会阻塞的功能，下面的三个方案都是解决这个问题的好办法（看下面表格描述你就明白三个方案的含义了）

特性	描述	API
能响应中断	如果不能自己释放，那可以响应中断也是很好的。Java多线程中断机制 专门描述了中断过程，目的是通过中断信号来跳出某种状态，比如阻塞	lockInterruptbly()
非阻塞式的获取锁	尝试获取，获取不到不会阻塞，直接返回	tryLock()
支持超时	给定一个时间限制，如果一段时间内没获取到，不是进入阻塞状态，同样直接返回	tryLock(long time, timeUnit)

好的方案有了，但鱼和熊掌不可兼得，Lock 多了 synchronized 不具备的特性，自然不会像 synchronized 那样一个关键字三个玩法走遍全天下，在使用上也相对复杂了一丢丢

Lock 使用范式

synchronized 有标准用法，这样的优良传统咱 Lock 也得有，相信很多人都知道使用 Lock 的一个范式

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try{...
}finally{lock.unlock();
}

既然是范式（没事不要挑战更改写法的那种），肯定有其理由，我们来看一下

标准1—finally 中释放锁

这个大家应该都会明白，在 finally 中释放锁，目的是保证在获取到锁之后，最终能被释放

标准2—在 try{} 外面获取锁

不知道你有没有想过，为什么会有标准 2 的存在，我们通常是“喜欢” try 住所有内容，生怕发生异常不能捕获的

在 try{} 外获取锁主要考虑两个方面：

1. 如果没有获取到锁就抛出异常，最终释放锁肯定是有问题的，因为还未曾拥有锁谈何释放锁呢

2. 如果在获取锁时抛出了异常，也就是当前线程并未获取到锁，但执行到 finally 代码时，如果恰巧别的线程获取到了锁，则会被释放掉（无故释放）

不同锁的实现方式略有不同，范式的存在就是要避免一切问题的出现，所以大家尽量遵守范式

Lock 是怎样起到锁的作用呢？

如果你熟悉 synchronized，你知道程序编译成 CPU 指令后，在临界区会有 moniterenter 和 moniterexit 指令的出现，可以理解成进出临界区的标识

从范式上来看：

• lock.lock()  获取锁，“等同于” synchronized 的 moniterenter指令

• lock.unlock() 释放锁，“等同于” synchronized 的 moniterexit 指令

那 Lock 是怎么做到的呢？

这里先简单说明一下，这样一会到源码分析时，你可以远观设计轮廓，近观实现细节，会变得越发轻松

其实很简单，比如在  ReentrantLock 内部维护了一个 volatile 修饰的变量 state，通过 CAS 来进行读写（最底层还是交给硬件来保证原子性和可见性），如果CAS更改成功，即获取到锁，线程进入到 try 代码块继续执行；如果没有更改成功，线程会被【挂起】，不会向下执行

但 Lock 是一个接口，里面根本没有 state 这个变量的存在：

它怎么处理这个 state 呢？很显然需要一点设计的加成了，接口定义行为，具体都是需要实现类的

Lock 接口的实现类基本都是通过【聚合】了一个【队列同步器】的子类完成线程访问控制的

那什么是队列同步器呢？（这应该是你见过的最强标题党，聊了半个世纪才入正题，评论区留言骂我）

队列同步器 AQS

队列同步器 （AbstractQueuedSynchronizer），简称同步器或AQS，就是我们今天的主人公

**问：**为什么你分析 JUC 源码，要从 AQS 说起呢？

**答：**看下图

相信看到这个截图你就明白一二了，你听过的，面试常被问起的，工作中常用的

• ReentrantLock

• ReentrantReadWriteLock

• Semaphore(信号量)

• CountDownLatch

• 公平锁

• 非公平锁

• ThreadPoolExecutor  (关于线程池的理解，可以查看 为什么要使用线程池? )

都和 AQS 有直接关系，所以了解 AQS 的抽象实现，在此基础上再稍稍查看上述各类的实现细节，很快就可以全部搞定，不至于查看源码时一头雾水，丢失主线

上面提到，在锁的实现类中会聚合同步器，然后利同步器实现锁的语义，那么问题来了：

为什么要用聚合模式，怎么进一步理解锁和同步器的关系呢？

我们绝大多数都是在使用锁，实现锁之后，其核心就是要使用方便

从 AQS 的类名称和修饰上来看，这是一个抽象类，所以从设计模式的角度来看同步器一定是基于【模版模式】来设计的，使用者需要继承同步器，实现自定义同步器，并重写指定方法，随后将同步器组合在自定义的同步组件中，并调用同步器的模版方法，而这些模版方法又回调用使用者重写的方法

我不想将上面的解释说的这么抽象，其实想理解上面这句话，我们只需要知道下面两个问题就好了

1. 哪些是自定义同步器可重写的方法？

2. 哪些是抽象同步器提供的模版方法？

同步器可重写的方法

同步器提供的可重写方法只有5个，这大大方便了锁的使用者：

按理说，需要重写的方法也应该有 abstract 来修饰的，为什么这里没有？原因其实很简单，上面的方法我已经用颜色区分成了两类：

• 独占式

• 共享式

自定义的同步组件或者锁不可能既是独占式又是共享式，为了避免强制重写不相干方法，所以就没有 abstract 来修饰了，但要抛出异常告知不能直接使用该方法：

    protected boolean tryAcquire(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();}

暖暖的很贴心（如果你有类似的需求也可以仿照这样的设计）

表格方法描述中所说的同步状态就是上文提到的有 volatile 修饰的 state，所以我们在重写上面几个方法时，还要通过同步器提供的下面三个方法（AQS 提供的）来获取或修改同步状态：

而独占式和共享式操作 state 变量的区别也就很简单了

所以你看到的 ReentrantLock  ReentrantReadWriteLock  Semaphore(信号量)  CountDownLatch  这几个类其实仅仅是在实现以上几个方法上略有差别，其他的实现都是通过同步器的模版方法来实现的，到这里是不是心情放松了许多呢？我们来看一看模版方法：

同步器提供的模版方法

上面我们将同步器的实现方法分为独占式和共享式两类，模版方法其实除了提供以上两类模版方法之外，只是多了响应中断和超时限制 的模版方法供 Lock 使用，来看一下

先不用记上述方法的功能，目前你只需要了解个大概功能就好。另外，相信你也注意到了：

上面的方法都有 final 关键字修饰，说明子类不能重写这个方法

看到这你也许有点乱了，我们稍微归纳一下：

程序员还是看代码心里踏实一点，我们再来用代码说明一下上面的关系（注意代码中的注释，以下的代码并不是很严谨，只是为了简单说明上图的代码实现）：

package top.dayarch.myjuc;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;/*** 自定义互斥锁** @author tanrgyb* @date 2020/5/23 9:33 PM*/
public class MyMutex implements Lock {// 静态内部类-自定义同步器private static class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer{@Overrideprotected boolean tryAcquire(int arg) {// 调用AQS提供的方法，通过CAS保证原子性if (compareAndSetState(0, arg)){// 我们实现的是互斥锁，所以标记获取到同步状态（更新state成功）的线程，// 主要为了判断是否可重入（一会儿会说明）setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//获取同步状态成功，返回 truereturn true;}// 获取同步状态失败，返回 falsereturn false;}@Overrideprotected boolean tryRelease(int arg) {// 未拥有锁却让释放，会抛出IMSEif (getState() == 0){throw new IllegalMonitorStateException();}// 可以释放，清空排它线程标记setExclusiveOwnerThread(null);// 设置同步状态为0，表示释放锁setState(0);return true;}// 是否独占式持有@Overrideprotected boolean isHeldExclusively() {return getState() == 1;}// 后续会用到，主要用于等待/通知机制，每个condition都有一个与之对应的条件等待队列，在锁模型中说明过Condition newCondition() {return new ConditionObject();}}// 聚合自定义同步器private final MySync sync = new MySync();@Overridepublic void lock() {// 阻塞式的获取锁，调用同步器模版方法独占式，获取同步状态sync.acquire(1);}@Overridepublic void lockInterruptibly() throws InterruptedException {// 调用同步器模版方法可中断式获取同步状态sync.acquireInterruptibly(1);}@Overridepublic boolean tryLock() {// 调用自己重写的方法，非阻塞式的获取同步状态return sync.tryAcquire(1);}@Overridepublic boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {// 调用同步器模版方法，可响应中断和超时时间限制return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));}@Overridepublic void unlock() {// 释放锁sync.release(1);}@Overridepublic Condition newCondition() {// 使用自定义的条件return sync.newCondition();}
}

如果你现在打开 IDE， 你会发现上文提到的  ReentrantLock  ReentrantReadWriteLock  Semaphore(信号量)  CountDownLatch  都是按照这个结构实现，所以我们就来看一看 AQS 的模版方法到底是怎么实现锁

AQS实现分析

从上面的代码中，你应该理解了lock.tryLock() 非阻塞式获取锁就是调用自定义同步器重写的 tryAcquire() 方法，通过 CAS 设置state 状态，不管成功与否都会马上返回；那么 lock.lock() 这种阻塞式的锁是如何实现的呢？

有阻塞就需要排队，实现排队必然需要队列

CLH：Craig、Landin and Hagersten 队列，是一个单向链表，AQS中的队列是CLH变体的虚拟双向队列（FIFO）——概念了解就好，不要记

队列中每个排队的个体就是一个 Node，所以我们来看一下 Node 的结构

Node 节点

AQS 内部维护了一个同步队列，用于管理同步状态。

• 当线程获取同步状态失败时，就会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个 Node 节点，将其加入到同步队列中尾部，阻塞该线程

• 当同步状态被释放时，会唤醒同步队列中“首节点”的线程获取同步状态

为了将上述步骤弄清楚，我们需要来看一看 Node 结构 （如果你能打开 IDE 一起看那是极好的）

乍一看有点杂乱，我们还是将其归类说明一下：

上面这几个状态说明有个印象就好，有了Node 的结构说明铺垫，你也就能想象同步队列的接本结构了：

前置知识基本铺垫完毕，我们来看一看独占式获取同步状态的整个过程

独占式获取同步状态

故事要从范式lock.lock() 开始

public void lock() {// 阻塞式的获取锁，调用同步器模版方法，获取同步状态sync.acquire(1);
}

进入AQS的模版方法 acquire()

public final void acquire(int arg) {// 调用自定义同步器重写的 tryAcquire 方法if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}

首先，也会尝试非阻塞的获取同步状态，如果获取失败（tryAcquire返回false），则会调用 addWaiter 方法构造 Node 节点（Node.EXCLUSIVE 独占式）并安全的（CAS）加入到同步队列【尾部】

    private Node addWaiter(Node mode) {// 构造Node节点，包含当前线程信息以及节点模式【独占/共享】Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// 新建变量 pred 将指针指向tail指向的节点Node pred = tail;// 如果尾节点不为空if (pred != null) {// 新加入的节点前驱节点指向尾节点node.prev = pred;// 因为如果多个线程同时获取同步状态失败都会执行这段代码// 所以，通过 CAS 方式确保安全的设置当前节点为最新的尾节点if (compareAndSetTail(pred, node)) {// 曾经的尾节点的后继节点指向当前节点pred.next = node;// 返回新构建的节点return node;}}// 尾节点为空，说明当前节点是第一个被加入到同步队列中的节点// 需要一个入队操作enq(node);return node;}private Node enq(final Node node) {// 通过“死循环”确保节点被正确添加，最终将其设置为尾节点之后才会返回，这里使用 CAS 的理由和上面一样for (;;) {Node t = tail;// 第一次循环，如果尾节点为 nullif (t == null) { // Must initialize// 构建一个哨兵节点，并将头部指针指向它if (compareAndSetHead(new Node()))// 尾部指针同样指向哨兵节点tail = head;} else {// 第二次循环，将新节点的前驱节点指向tnode.prev = t;// 将新节点加入到队列尾节点if (compareAndSetTail(t, node)) {// 前驱节点的后继节点指向当前新节点，完成双向队列t.next = node;return t;}}}}

你可能比较迷惑 enq() 的处理方式，进入该方法就是一个“死循环”，我们就用图来描述它是怎样跳出循环的

有些同学可能会有疑问，为什么会有哨兵节点？

哨兵，顾名思义，是用来解决国家之间边界问题的，不直接参与生产活动。同样，计算机科学中提到的哨兵，也用来解决边界问题，如果没有边界，指定环节，按照同样算法可能会在边界处发生异常，比如要继续向下分析的 acquireQueued() 方法

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;try {boolean interrupted = false;// "死循环"，尝试获取锁，或者挂起for (;;) {// 获取当前节点的前驱节点final Node p = node.predecessor();// 只有当前节点的前驱节点是头节点，才会尝试获取锁// 看到这你应该理解添加哨兵节点的含义了吧if (p == head && tryAcquire(arg)) {// 获取同步状态成功，将自己设置为头setHead(node);// 将哨兵节点的后继节点置为空，方便GCp.next = null; // help GCfailed = false;// 返回中断标识return interrupted;}// 当前节点的前驱节点不是头节点//【或者】当前节点的前驱节点是头节点但获取同步状态失败if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}

获取同步状态成功会返回可以理解了，但是如果失败就会一直陷入到“死循环”中浪费资源吗？很显然不是，shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 和 parkAndCheckInterrupt() 就会将线程获取同步状态失败的线程挂起，我们继续向下看

    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {// 获取前驱节点的状态int ws = pred.waitStatus;// 如果是 SIGNAL 状态，即等待被占用的资源释放，直接返回 true// 准备继续调用 parkAndCheckInterrupt 方法if (ws == Node.SIGNAL)return true;// ws 大于0说明是CANCELLED状态，if (ws > 0) {// 循环判断前驱节点的前驱节点是否也为CANCELLED状态，忽略该状态的节点，重新连接队列do {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);pred.next = node;} else {// 将当前节点的前驱节点设置为设置为 SIGNAL 状态，用于后续唤醒操作// 程序第一次执行到这返回为false，还会进行外层第二次循环，最终从代码第7行返回compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;}

到这里你也许有个问题：

这个地方设置前驱节点为 SIGNAL 状态到底有什么作用？

保留这个问题，我们陆续揭晓

如果前驱节点的 waitStatus 是 SIGNAL状态，即 shouldParkAfterFailedAcquire 方法会返回 true ，程序会继续向下执行 parkAndCheckInterrupt 方法，用于将当前线程挂起

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {// 线程挂起，程序不会继续向下执行LockSupport.park(this);// 根据 park 方法 API描述，程序在下述三种情况会继续向下执行//  1. 被 unpark //  2. 被中断(interrupt)//  3. 其他不合逻辑的返回才会继续向下执行// 因上述三种情况程序执行至此，返回当前线程的中断状态，并清空中断状态// 如果由于被中断，该方法会返回 truereturn Thread.interrupted();}

被唤醒的程序会继续执行 acquireQueued 方法里的循环，如果获取同步状态成功，则会返回 interrupted = true 的结果

程序继续向调用栈上层返回，最终回到 AQS 的模版方法 acquire

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

你也许会有疑惑:

程序已经成功获取到同步状态并返回了，怎么会有个自我中断呢？

static void selfInterrupt() {Thread.currentThread().interrupt();
}

如果你不能理解中断，强烈建议你回看 Java多线程中断机制

到这里关于获取同步状态我们还遗漏了一条线，acquireQueued 的 finally 代码块如果你仔细看你也许马上就会有疑惑:

到底什么情况才会执行 if(failed) 里面的代码 ？

if (failed)cancelAcquire(node);

这段代码被执行的条件是 failed 为 true，正常情况下，如果跳出循环，failed 的值为false，如果不能跳出循环貌似怎么也不能执行到这里，所以只有不正常的情况才会执行到这里，也就是会发生异常，才会执行到此处

查看 try 代码块，只有两个方法会抛出异常：

• node.processor() 方法

• 自己重写的 tryAcquire() 方法

先看前者：

很显然，这里抛出的异常不是重点，那就以 ReentrantLock 重写的 tryAcquire() 方法为例

另外，上面分析 shouldParkAfterFailedAcquire 方法还对 CANCELLED 的状态进行了判断，那么

什么时候会生成取消状态的节点呢？

答案就在 cancelAcquire 方法中， 我们来看看 cancelAcquire到底怎么设置/处理 CANNELLED 的

 private void cancelAcquire(Node node) {// 忽略无效节点if (node == null)return;// 将关联的线程信息清空node.thread = null;// 跳过同样是取消状态的前驱节点Node pred = node.prev;while (pred.waitStatus > 0)node.prev = pred = pred.prev;// 跳出上面循环后找到前驱有效节点，并获取该有效节点的后继节点Node predNext = pred.next;// 将当前节点的状态置为 CANCELLEDnode.waitStatus = Node.CANCELLED;// 如果当前节点处在尾节点，直接从队列中删除自己就好if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {compareAndSetNext(pred, predNext, null);} else {int ws;// 1. 如果当前节点的有效前驱节点不是头节点，也就是说当前节点不是头节点的后继节点if (pred != head &&// 2. 判断当前节点有效前驱节点的状态是否为 SIGNAL((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||// 3. 如果不是，尝试将前驱节点的状态置为 SIGNAL(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&// 判断当前节点有效前驱节点的线程信息是否为空pred.thread != null) {// 上述条件满足Node next = node.next;// 将当前节点有效前驱节点的后继节点指针指向当前节点的后继节点if (next != null && next.waitStatus <= 0)compareAndSetNext(pred, predNext, next);} else {// 如果当前节点的前驱节点是头节点，或者上述其他条件不满足，就唤醒当前节点的后继节点unparkSuccessor(node);}node.next = node; // help GC}

看到这个注释你可能有些乱了，其核心目的就是从等待队列中移除 CANCELLED 的节点，并重新拼接整个队列，总结来看，其实设置 CANCELLED 状态节点只是有三种情况，我们通过画图来分析一下：

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至此，获取同步状态的过程就结束了，我们简单的用流程图说明一下整个过程

获取锁的过程就这样的结束了，先暂停几分钟整理一下自己的思路。我们上面还没有说明 SIGNAL 的作用， SIGNAL 状态信号到底是干什么用的？这就涉及到锁的释放了，我们来继续了解，整体思路和锁的获取是一样的， 但是释放过程就相对简单很多了

独占式释放同步状态

故事要从 unlock() 方法说起

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

调用 AQS 模版方法 release，进入该方法

    public final boolean release(int arg) {// 调用自定义同步器重写的 tryRelease 方法尝试释放同步状态if (tryRelease(arg)) {// 释放成功，获取头节点Node h = head;// 存在头节点，并且waitStatus不是初始状态// 通过获取的过程我们已经分析了，在获取的过程中会将 waitStatus的值从初始状态更新成 SIGNAL 状态if (h != null && h.waitStatus != 0)// 解除线程挂起状态unparkSuccessor(h);return true;}return false;}

查看 unparkSuccessor 方法，实际是要唤醒头节点的后继节点

    private void unparkSuccessor(Node node) {      // 获取头节点的waitStatusint ws = node.waitStatus;if (ws < 0)// 清空头节点的waitStatus值，即置为0compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);// 获取头节点的后继节点Node s = node.next;// 判断当前节点的后继节点是否是取消状态，如果是，需要移除，重新连接队列if (s == null || s.waitStatus > 0) {s = null;// 从尾节点向前查找，找到队列第一个waitStatus状态小于0的节点for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)// 如果是独占式，这里小于0，其实就是 SIGNALif (t.waitStatus <= 0)s = t;}if (s != null)// 解除线程挂起状态LockSupport.unpark(s.thread);}

有同学可能有疑问：

为什么这个地方是从队列尾部向前查找不是 CANCELLED 的节点？

原因有两个：

第一，先回看节点加入队列的情景：

    private Node addWaiter(Node mode) {Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// Try the fast path of enq; backup to full enq on failureNode pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}enq(node);return node;}

节点入队并不是原子操作，代码第6、7行

node.prev = pred;
compareAndSetTail(pred, node)

这两个地方可以看作是尾节点入队的原子操作，如果此时代码还没执行到 pred.next = node; 这时又恰巧执行了unparkSuccessor方法，就没办法从前往后找了，因为后继指针还没有连接起来，所以需要从后往前找

第二点原因，在上面图解产生 CANCELLED 状态节点的时候，先断开的是 Next 指针，Prev指针并未断开，因此这也是必须要从后往前遍历才能够遍历完全部的Node

同步状态至此就已经成功释放了，之前获取同步状态被挂起的线程就会被唤醒，继续从下面代码第 3 行返回执行：

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {LockSupport.park(this);return Thread.interrupted();}

继续返回上层调用栈, 从下面代码15行开始执行，重新执行循环，再次尝试获取同步状态

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;try {boolean interrupted = false;for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return interrupted;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}

到这里，关于独占式获取/释放锁的流程已经闭环了，但是关于 AQS 的另外两个模版方法还没有介绍

• 响应中断

• 超时限制

独占式响应中断获取同步状态

故事要从lock.lockInterruptibly() 方法说起

 public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {// 调用同步器模版方法可中断式获取同步状态sync.acquireInterruptibly(1);}

有了前面的理解，理解独占式可响应中断的获取同步状态方式，真是一眼就能明白了：

    public final void acquireInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();// 尝试非阻塞式获取同步状态失败，如果没有获取到同步状态，执行代码7行if (!tryAcquire(arg))doAcquireInterruptibly(arg);}

继续查看 doAcquireInterruptibly 方法：

    private void doAcquireInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);boolean failed = true;try {for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())// 获取中断信号后，不再返回 interrupted = true 的值，而是直接抛出 InterruptedException throw new InterruptedException();}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}

没想到 JDK 内部也有如此相近的代码，可响应中断获取锁没什么深奥的，就是被中断抛出 InterruptedException 异常（代码第17行），这样就逐层返回上层调用栈捕获该异常进行下一步操作了

趁热打铁，来看看另外一个模版方法：

独占式超时限制获取同步状态

这个很好理解，就是给定一个时限，在该时间段内获取到同步状态，就返回 true， 否则，返回 false。好比线程给自己定了一个闹钟，闹铃一响，线程就自己返回了，这就不会使自己是阻塞状态了

既然涉及到超时限制，其核心逻辑肯定是计算时间间隔，因为在超时时间内，肯定是多次尝试获取锁的，每次获取锁肯定有时间消耗，所以计算时间间隔的逻辑就像我们在程序打印程序耗时 log 那么简单

nanosTimeout = deadline - System.nanoTime()

故事要从 lock.tryLock(time, unit) 方法说起

 public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {// 调用同步器模版方法，可响应中断和超时时间限制return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));}

来看 tryAcquireNanos 方法

    public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();return tryAcquire(arg) ||doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);}

是不是和上面 acquireInterruptibly  方法长相很详细了，继续查看来 doAcquireNanos 方法，看程序, 该方法也是 throws InterruptedException，我们在中断文章中说过，方法标记上有 throws InterruptedException 说明该方法也是可以响应中断的，所以你可以理解超时限制是 acquireInterruptibly 方法的加强版，具有超时和非阻塞控制的双保险

    private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)throws InterruptedException {// 超时时间内，为获取到同步状态，直接返回falseif (nanosTimeout <= 0L)return false;// 计算超时截止时间final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;// 以独占方式加入到同步队列中final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);boolean failed = true;try {for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return true;}// 计算新的超时时间nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();// 如果超时，直接返回 falseif (nanosTimeout <= 0L)return false;if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&// 判断是最新超时时间是否大于阈值 1000    nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)// 挂起线程 nanosTimeout 长时间，时间到，自动返回LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}

上面的方法应该不是很难懂，但是又同学可能在第 27 行上有所困惑

为什么 nanosTimeout 和 自旋超时阈值1000进行比较？

    /*** The number of nanoseconds for which it is faster to spin* rather than to use timed park. A rough estimate suffices* to improve responsiveness with very short timeouts.*/static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;

其实 doc 说的很清楚，说白了，1000 nanoseconds 时间已经非常非常短暂了，没必要再执行挂起和唤醒操作了，不如直接当前线程直接进入下一次循环

到这里，我们自定义的 MyMutex 只差 Condition 没有说明了，不知道你累了吗？我还在坚持

Condition

如果你看过之前写的 并发编程之等待通知机制 ，你应该对下面这个图是有印象的：

如果当时你理解了这个模型，再看 Condition 的实现，根本就不是问题了，首先 Condition 还是一个接口，肯定也是需要有实现类的

那故事就从 lock.newnewCondition 说起吧

 public Condition newCondition() {// 使用自定义的条件return sync.newCondition();}

自定义同步器重封装了该方法：

  Condition newCondition() {return new ConditionObject();}

ConditionObject 就是 Condition 的实现类，该类就定义在了 AQS 中，只有两个成员变量：

/** First node of condition queue. */
private transient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
private transient Node lastWaiter;

所以，我们只需要来看一下 ConditionObject 实现的 await / signal 方法来使用这两个成员变量就可以了

        public final void await() throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();// 同样构建 Node 节点，并加入到等待队列中Node node = addConditionWaiter();// 释放同步状态int savedState = fullyRelease(node);int interruptMode = 0;while (!isOnSyncQueue(node)) {// 挂起当前线程LockSupport.park(this);if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)break;}if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)interruptMode = REINTERRUPT;if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelledunlinkCancelledWaiters();if (interruptMode != 0)reportInterruptAfterWait(interruptMode);}

这里注意用词，在介绍获取同步状态时，addWaiter 是加入到【同步队列】，就是上图说的入口等待队列，这里说的是【等待队列】，所以 addConditionWaiter 肯定是构建了一个自己的队列：

        private Node addConditionWaiter() {Node t = lastWaiter;if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {unlinkCancelledWaiters();t = lastWaiter;}// 新构建的节点的 waitStatus 是 CONDITION，注意不是 0 或 SIGNAL 了Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);// 构建单向同步队列if (t == null)firstWaiter = node;elset.nextWaiter = node;lastWaiter = node;return node;}

这里有朋友可能会有疑问：

为什么这里是单向队列，也没有使用CAS 来保证加入队列的安全性呢？

因为 await 是 Lock 范式 try 中使用的，说明已经获取到锁了，所以就没必要使用 CAS 了，至于是单向，因为这里还不涉及到竞争锁，只是做一个条件等待队列

在 Lock 中可以定义多个条件，每个条件都会对应一个 条件等待队列，所以将上图丰富说明一下就变成了这个样子：

线程已经按相应的条件加入到了条件等待队列中，那如何再尝试获取锁呢？signal / signalAll 方法就已经排上用场了

        public final void signal() {if (!isHeldExclusively())throw new IllegalMonitorStateException();Node first = firstWaiter;if (first != null)doSignal(first);}

Signal 方法通过调用 doSignal 方法，只唤醒条件等待队列中的第一个节点

        private void doSignal(Node first) {do {if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)lastWaiter = null;first.nextWaiter = null;// 调用该方法，将条件等待队列的线程节点移动到同步队列中} while (!transferForSignal(first) &&(first = firstWaiter) != null);}

继续看 transferForSignal 方法

    final boolean transferForSignal(Node node) {       if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))return false;// 重新进行入队操作Node p = enq(node);int ws = p.waitStatus;if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))// 唤醒同步队列中该线程LockSupport.unpark(node.thread);return true;}

所以我们再用图解一下唤醒的整个过程

到这里，理解 signalAll 就非常简单了，只不过循环判断是否还有 nextWaiter，如果有就像 signal 操作一样，将其从条件等待队列中移到同步队列中

        private void doSignalAll(Node first) {lastWaiter = firstWaiter = null;do {Node next = first.nextWaiter;first.nextWaiter = null;transferForSignal(first);first = next;} while (first != null);}

不知你还是否记得，我在并发编程之等待通知机制 中还说过一句话

没有特殊原因尽量用 signalAll 方法

什么时候可以用 signal 方法也在其中做了说明，请大家自行查看吧

这里我还要多说一个细节，从条件等待队列移到同步队列是有时间差的，所以使用 await() 方法也是范式的， 同样在该文章中做了解释

有时间差，就会有公平和不公平的问题，想要全面了解这个问题，我们就要走近 ReentrantLock 中来看了，除了了解公平/不公平问题，查看 ReentrantLock 的应用还是要反过来验证它使用的AQS的，我们继续吧

ReentrantLock 是如何应用的AQS

独占式的典型应用就是 ReentrantLock 了，我们来看看它是如何重写这个方法的

乍一看挺奇怪的，怎么里面自定义了三个同步器：其实 NonfairSync，FairSync 只是对 Sync 做了进一步划分：

从名称上你应该也知道了，这就是你听到过的 公平锁/非公平锁了

何为公平锁/非公平锁？

生活中，排队讲求先来后到视为公平。程序中的公平性也是符合请求锁的绝对时间的，其实就是 FIFO，否则视为不公平

我们来对比一下 ReentrantLock 是如何实现公平锁和非公平锁的

其实没什么大不了，公平锁就是判断同步队列是否还有先驱节点的存在，只有没有先驱节点才能获取锁；而非公平锁是不管这个事的，能获取到同步状态就可以，就这么简单，那问题来了：

为什么会有公平锁/非公平锁的设计？

考虑这个问题，我们需重新回忆上面的锁获取实现图了，其实上面我已经透露了一点

主要有两点原因：

原因一：

恢复挂起的线程到真正锁的获取还是有时间差的，从人类的角度来看这个时间微乎其微，但是从CPU的角度来看，这个时间差存在的还是很明显的。所以非公平锁能更充分的利用 CPU 的时间片，尽量减少 CPU 空闲状态时间

原因二：

不知你是否还记得我在 面试问，创建多少个线程合适？文章中反复提到过，使用多线程很重要的考量点是线程切换的开销，想象一下，如果采用非公平锁，当一个线程请求锁获取同步状态，然后释放同步状态，因为不需要考虑是否还有前驱节点，所以刚释放锁的线程在此刻再次获取同步状态的几率就变得非常大，所以就减少了线程的开销

相信到这里，你也就明白了，为什么 ReentrantLock 默认构造器用的是非公平锁同步器

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

看到这里，感觉非公平锁 perfect，非也，有得必有失

使用公平锁会有什么问题？

公平锁保证了排队的公平性，非公平锁霸气的忽视这个规则，所以就有可能导致排队的长时间在排队，也没有机会获取到锁，这就是传说中的 “饥饿”

如何选择公平锁/非公平锁？

相信到这里，答案已经在你心中了，如果为了更高的吞吐量，很显然非公平锁是比较合适的，因为节省很多线程切换时间，吞吐量自然就上去了，否则那就用公平锁还大家一个公平

我们还差最后一个环节，真的要挺住

可重入锁

到这里，我们还没分析 ReentrantLock 的名字，JDK 起名这么有讲究，肯定有其含义，直译过来【可重入锁】

为什么要支持锁的重入？

试想，如果是一个有 synchronized 修饰的递归调用方法，程序第二次进入被自己阻塞了岂不是很大的笑话，所以 synchronized 是支持锁的重入的

Lock 是新轮子，自然也要支持这个功能，其实现也很简单，请查看公平锁和非公平锁对比图，其中有一段代码：

// 判断当前线程是否和已占用锁的线程是同一个
else if (current == getExclusiveOwnerThread())

仔细看代码， 你也许发现，我前面的一个说明是错误的，我要重新解释一下

重入的线程会一直将 state + 1， 释放锁会 state - 1直至等于0，上面这样写也是想帮助大家快速的区分

总结

本文是一个长文，说明了为什么要造 Lock 新轮子，如何标准的使用 Lock，AQS 是什么，是如何实现锁的，结合 ReentrantLock 反推 AQS 中的一些应用以及其独有的一些特性

独占式获取锁就这样介绍完了，我们还差 AQS 共享式 xxxShared 没有分析，结合共享式，接下来我们来阅读一下 Semaphore，ReentrantReadWriteLock 和 CountLatch 等

另外，查看超清大图，也可以点击文末【阅读原文】，也欢迎大家的留言，如有错误之处还请指出。我的手酸了，眼睛干了，我去准备撸下一篇.....

灵魂追问

1. 为什么更改 state 有 setState() ,  compareAndSetState() 两种方式，感觉后者更安全，但是锁的视线中有好多地方都使用了 setState()，安全吗？

2. 下面代码是一个转账程序，是否存在死锁或者锁的其他问题呢？

   
   class Account {private int balance;private final Lock lock= new ReentrantLock();// 转账void transfer(Account tar, int amt){while (true) {if(this.lock.tryLock()) {try {if (tar.lock.tryLock()) {try {this.balance -= amt;tar.balance += amt;} finally {tar.lock.unlock();}}//if} finally {this.lock.unlock();}}//if}//while}//transfer
   }
   

参考

感谢前辈们的知识结晶

1. Java 并发实战

2. Java 并发编程的艺术

3. https://tech.meituan.com/2019/12/05/aqs-theory-and-apply.html

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