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前言

談到并發(fā)，我們不得不說(shuō)AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，所謂的AQS即是抽象的隊(duì)列式的同步器，內(nèi)部定義了很多鎖相關(guān)的方法，我們熟知的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore等都是基于AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

我們先看下AQS相關(guān)的UML圖：

1.AQS實(shí)現(xiàn)原理

AQS中 維護(hù)了一個(gè)volatile int state(代表共享資源)和一個(gè)FIFO線程等待隊(duì)列(多線程爭(zhēng)用資源被阻塞時(shí)會(huì)進(jìn)入此隊(duì)列)。

這里volatile能夠保證多線程下的可見(jiàn)性，當(dāng)state=1則代表當(dāng)前對(duì)象鎖已經(jīng)被占有，其他線程來(lái)加鎖時(shí)則會(huì)失敗，加鎖失敗的線程會(huì)被放入一個(gè)FIFO的等待隊(duì)列中，比列會(huì)被UNSAFE.park()操作掛起，等待其他獲取鎖的線程釋放鎖才能夠被喚醒。

另外state的操作都是通過(guò)CAS來(lái)保證其并發(fā)修改的安全性。

具體原理我們可以用一張圖來(lái)簡(jiǎn)單概括：

AQS 中提供了很多關(guān)于鎖的實(shí)現(xiàn)方法，

• getState()：獲取鎖的標(biāo)志state值
• setState()：設(shè)置鎖的標(biāo)志state值
• tryAcquire(int)：獨(dú)占方式獲取鎖。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
• tryRelease(int)：獨(dú)占方式釋放鎖。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。

這里還有一些方法并沒(méi)有列出來(lái)，接下來(lái)我們以ReentrantLock作為突破點(diǎn)通過(guò)源碼和畫(huà)圖的形式一步步了解AQS內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理。

2.目錄結(jié)構(gòu)

文章準(zhǔn)備模擬多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖、釋放鎖的場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行分析AQS源碼：

三個(gè)線程(線程一、線程二、線程三)同時(shí)來(lái)加鎖/釋放鎖

目錄如下：

• 線程一加鎖成功時(shí)AQS內(nèi)部實(shí)現(xiàn)
• 線程二/三加鎖失敗時(shí)AQS中等待隊(duì)列的數(shù)據(jù)模型
• 線程一釋放鎖及線程二獲取鎖實(shí)現(xiàn)原理
• 通過(guò)線程場(chǎng)景來(lái)講解公平鎖具體實(shí)現(xiàn)原理
• 通過(guò)線程場(chǎng)景來(lái)講解Condition中await()和signal()實(shí)現(xiàn)原理

這里會(huì)通過(guò)畫(huà)圖來(lái)分析每個(gè)線程加鎖、釋放鎖后AQS內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理

3.場(chǎng)景分析

線程一加鎖成功

如果同時(shí)有三個(gè)線程并發(fā)搶占鎖，此時(shí)線程一搶占鎖成功，線程二和線程三搶占鎖失敗，具體執(zhí)行流程如下：

此時(shí)AQS內(nèi)部數(shù)據(jù)為：

線程二、線程三加鎖失?。?/p>

有圖可以看出，等待隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)Node是一個(gè)雙向鏈表，這里SIGNAL是Node中waitStatus屬性，Node中還有一個(gè)nextWaiter屬性，這個(gè)并未在圖中畫(huà)出來(lái)，這個(gè)到后面Condition會(huì)具體講解的。

具體看下?lián)屨兼i代碼實(shí)現(xiàn)：

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock .NonfairSync:

static final class NonfairSync extends Sync { 
     
    final void lock() { 
        if (compareAndSetState(0, 1)) 
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); 
        else 
            acquire(1); 
    } 
 
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
        return nonfairTryAcquire(acquires); 
    } 
} 

這里使用的ReentrantLock非公平鎖，線程進(jìn)來(lái)直接利用CAS嘗試搶占鎖，如果搶占成功state值回被改為1，且設(shè)置對(duì)象獨(dú)占鎖線程為當(dāng)前線程。如下所示：

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { 
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); 
} 
 
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { 
    exclusiveOwnerThread = thread; 
} 

線程二搶占鎖失敗

我們按照真實(shí)場(chǎng)景來(lái)分析，線程一搶占鎖成功后，state變?yōu)?，線程二通過(guò)CAS修改state變量必然會(huì)失敗。此時(shí)AQS中FIFO(First In First Out 先進(jìn)先出)隊(duì)列中數(shù)據(jù)如圖所示：

我們將線程二執(zhí)行的邏輯一步步拆解來(lái)看：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire():

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

先看看tryAcquire()的具體實(shí)現(xiàn)：java.util.concurrent.locks.ReentrantLock .nonfairTryAcquire():

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) 
            throw new Error("Maximum lock count exceeded"); 
        setState(nextc); 
        return true; 
    } 
    return false; 
} 

nonfairTryAcquire()方法中首先會(huì)獲取state的值，如果不為0則說(shuō)明當(dāng)前對(duì)象的鎖已經(jīng)被其他線程所占有，接著判斷占有鎖的線程是否為當(dāng)前線程，如果是則累加state值，這就是可重入鎖的具體實(shí)現(xiàn)，累加state值，釋放鎖的時(shí)候也要依次遞減state值。

如果state為0，則執(zhí)行CAS操作，嘗試更新state值為1，如果更新成功則代表當(dāng)前線程加鎖成功。

以線程二為例，因?yàn)榫€程一已經(jīng)將state修改為1，所以線程二通過(guò)CAS修改state的值不會(huì)成功。加鎖失敗。

線程二執(zhí)行tryAcquire()后會(huì)返回false，接著執(zhí)行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)邏輯，將自己加入到一個(gè)FIFO等待隊(duì)列中，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter():

private Node addWaiter(Node mode) {     
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 
    Node pred = tail; 
    if (pred != null) { 
        node.prev = pred; 
        if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
            pred.next = node; 
            return node; 
        } 
    } 
    enq(node); 
    return node; 
} 

這段代碼首先會(huì)創(chuàng)建一個(gè)和當(dāng)前線程綁定的Node節(jié)點(diǎn)，Node為雙向鏈表。此時(shí)等待對(duì)內(nèi)中的tail指針為空，直接調(diào)用enq(node)方法將當(dāng)前線程加入等待隊(duì)列尾部：

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

第一遍循環(huán)時(shí)tail指針為空，進(jìn)入if邏輯，使用CAS操作設(shè)置head指針，將head指向一個(gè)新創(chuàng)建的Node節(jié)點(diǎn)。此時(shí)AQS中數(shù)據(jù)：

執(zhí)行完成之后，head、tail、t都指向第一個(gè)Node元素。

接著執(zhí)行第二遍循環(huán)，進(jìn)入else邏輯，此時(shí)已經(jīng)有了head節(jié)點(diǎn)，這里要操作的就是將線程二對(duì)應(yīng)的Node節(jié)點(diǎn)掛到head節(jié)點(diǎn)后面。此時(shí)隊(duì)列中就有了兩個(gè)Node節(jié)點(diǎn)：

addWaiter()方法執(zhí)行完后，會(huì)返回當(dāng)前線程創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)信息。繼續(xù)往后執(zhí)行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)邏輯，此時(shí)傳入的參數(shù)為線程二對(duì)應(yīng)的Node節(jié)點(diǎn)信息：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued():

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 GC 
                failed = false; 
                return interrupted; 
            } 
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 
                parkAndChecknIterrupt()) 
                interrupted = true; 
        } 
    } finally { 
        if (failed) 
            cancelAcquire(node); 
    } 
} 
 
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { 
    int ws = pred.waitStatus; 
    if (ws == Node.SIGNAL) 
        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; 
} 
 
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 
    LockSupport.park(this); 
    return Thread.interrupted(); 
} 

acquireQueued()這個(gè)方法會(huì)先判斷當(dāng)前傳入的Node對(duì)應(yīng)的前置節(jié)點(diǎn)是否為head，如果是則嘗試加鎖。加鎖成功過(guò)則將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)置為head節(jié)點(diǎn)，然后空置之前的head節(jié)點(diǎn)，方便后續(xù)被垃圾回收掉。

如果加鎖失敗或者Node的前置節(jié)點(diǎn)不是head節(jié)點(diǎn)，就會(huì)通過(guò)shouldParkAfterFailedAcquire方法 將head節(jié)點(diǎn)的waitStatus變?yōu)榱薙IGNAL=-1，最后執(zhí)行parkAndChecknIterrupt方法，調(diào)用LockSupport.park()掛起當(dāng)前線程。

此時(shí)AQS中的數(shù)據(jù)如下圖：

此時(shí)線程二就靜靜的待在AQS的等待隊(duì)列里面了，等著其他線程釋放鎖來(lái)喚醒它。

線程三搶占鎖失敗

看完了線程二搶占鎖失敗的分析，那么再來(lái)分析線程三搶占鎖失敗就很簡(jiǎn)單了，先看看addWaiter(Node mode)方法：

private Node addWaiter(Node mode) { 
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 
    Node pred = tail; 
    if (pred != null) { 
        node.prev = pred; 
        if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
            pred.next = node; 
            return node; 
        } 
    } 
    enq(node); 
    return node; 
} 

此時(shí)等待隊(duì)列的tail節(jié)點(diǎn)指向線程二，進(jìn)入if邏輯后，通過(guò)CAS指令將tail節(jié)點(diǎn)重新指向線程三。接著線程三調(diào)用enq()方法執(zhí)行入隊(duì)操作，和上面線程二執(zhí)行方式是一致的，入隊(duì)后會(huì)修改線程二對(duì)應(yīng)的Node中的waitStatus=SIGNAL。最后線程三也會(huì)被掛起。此時(shí)等待隊(duì)列的數(shù)據(jù)如圖：

線程一釋放鎖

現(xiàn)在來(lái)分析下釋放鎖的過(guò)程，首先是線程一釋放鎖，釋放鎖后會(huì)喚醒head節(jié)點(diǎn)的后置節(jié)點(diǎn)，也就是我們現(xiàn)在的線程二，具體操作流程如下：

執(zhí)行完后等待隊(duì)列數(shù)據(jù)如下：

此時(shí)線程二已經(jīng)被喚醒，繼續(xù)嘗試獲取鎖，如果獲取鎖失敗，則會(huì)繼續(xù)被掛起。如果獲取鎖成功，則AQS中數(shù)據(jù)如圖：

接著還是一步步拆解來(lái)看，先看看線程一釋放鎖的代碼：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release()

public final boolean release(int arg) { 
    if (tryRelease(arg)) { 
        Node h = head; 
        if (h != null && h.waitStatus != 0) 
            unparkSuccessor(h); 
        return true; 
    } 
    return false; 
} 

這里首先會(huì)執(zhí)行tryRelease()方法，這個(gè)方法具體實(shí)現(xiàn)在ReentrantLock中，如果tryRelease執(zhí)行成功，則繼續(xù)判斷head節(jié)點(diǎn)的waitStatus是否為0，前面我們已經(jīng)看到過(guò)，head的waitStatue為SIGNAL(-1)，這里就會(huì)執(zhí)行unparkSuccessor()方法來(lái)喚醒head的后置節(jié)點(diǎn)，也就是我們上面圖中線程二對(duì)應(yīng)的Node節(jié)點(diǎn)。

此時(shí)看ReentrantLock.tryRelease()中的具體實(shí)現(xiàn)：

protected final boolean tryRelease(int releases) { 
    int c = getState() - releases; 
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) 
        throw new IllegalMonitorStateException(); 
    boolean free = false; 
    if (c == 0) { 
        free = true; 
        setExclusiveOwnerThread(null); 
    } 
    setState(c); 
    return free; 
} 

執(zhí)行完ReentrantLock.tryRelease()后，state被設(shè)置成0，Lock對(duì)象的獨(dú)占鎖被設(shè)置為null。此時(shí)看下AQS中的數(shù)據(jù)：

接著執(zhí)行java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.unparkSuccessor()方法，喚醒head的后置節(jié)點(diǎn)：

private void unparkSuccessor(Node node) { 
    int ws = node.waitStatus; 
    if (ws < 0) 
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 
    Node s = node.next; 
    if (s == null || s.waitStatus > 0) { 
        s = null; 
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) 
            if (t.waitStatus <= 0) 
                s = t; 
    } 
    if (s != null) 
        LockSupport.unpark(s.thread); 
} 

這里主要是將head節(jié)點(diǎn)的waitStatus設(shè)置為0，然后解除head節(jié)點(diǎn)next的指向，使head節(jié)點(diǎn)空置，等待著被垃圾回收。

此時(shí)重新將head指針指向線程二對(duì)應(yīng)的Node節(jié)點(diǎn)，且使用LockSupport.unpark方法來(lái)喚醒線程二。

被喚醒的線程二會(huì)接著嘗試獲取鎖，用CAS指令修改state數(shù)據(jù)。執(zhí)行完成后可以查看AQS中數(shù)據(jù)：

此時(shí)線程二被喚醒，線程二接著之前被park的地方繼續(xù)執(zhí)行，繼續(xù)執(zhí)行acquireQueued()方法。

線程二喚醒繼續(xù)加鎖

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 GC 
                failed = false; 
                return interrupted; 
            } 
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 
                parkAndCheckInterrupt()) 
                interrupted = true; 
        } 
    } finally { 
        if (failed) 
            cancelAcquire(node); 
    } 
} 

此時(shí)線程二被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行for循環(huán)，判斷線程二的前置節(jié)點(diǎn)是否為head，如果是則繼續(xù)使用tryAcquire()方法來(lái)嘗試獲取鎖，其實(shí)就是使用CAS操作來(lái)修改state值，如果修改成功則代表獲取鎖成功。接著將線程二設(shè)置為head節(jié)點(diǎn)，然后空置之前的head節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，被空置的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等著被垃圾回收。

此時(shí)線程三獲取鎖成功，AQS中隊(duì)列數(shù)據(jù)如下：

等待隊(duì)列中的數(shù)據(jù)都等待著被垃圾回收。

線程二釋放鎖/線程三加鎖

當(dāng)線程二釋放鎖時(shí)，會(huì)喚醒被掛起的線程三，流程和上面大致相同，被喚醒的線程三會(huì)再次嘗試加鎖，具體代碼可以參考上面內(nèi)容。具體流程圖如下：

此時(shí)AQS中隊(duì)列數(shù)據(jù)如圖：

4公平鎖實(shí)現(xiàn)原理

上面所有的加鎖場(chǎng)景都是基于非公平鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，非公平鎖是ReentrantLock的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，那我們接著來(lái)看一下公平鎖的實(shí)現(xiàn)原理，這里先用一張圖來(lái)解釋公平鎖和非公平鎖的區(qū)別：

非公平鎖執(zhí)行流程：

這里我們還是用之前的線程模型來(lái)舉例子，當(dāng)線程二釋放鎖的時(shí)候，喚醒被掛起的線程三，線程三執(zhí)行tryAcquire()方法使用CAS操作來(lái)嘗試修改state值，如果此時(shí)又來(lái)了一個(gè)線程四也來(lái)執(zhí)行加鎖操作，同樣會(huì)執(zhí)行tryAcquire()方法。

這種情況就會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，線程四如果獲取鎖成功，線程三仍然需要待在等待隊(duì)列中被掛起。這就是所謂的非公平鎖，線程三辛辛苦苦排隊(duì)等到自己獲取鎖，卻眼巴巴的看到線程四插隊(duì)獲取到了鎖。

公平鎖執(zhí)行流程：

公平鎖在加鎖的時(shí)候，會(huì)先判斷AQS等待隊(duì)列中是存在節(jié)點(diǎn)，如果存在節(jié)點(diǎn)則會(huì)直接入隊(duì)等待，具體代碼如下.

公平鎖在獲取鎖是也是首先會(huì)執(zhí)行acquire()方法，只不過(guò)公平鎖單獨(dú)實(shí)現(xiàn)了tryAcquire()方法：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire():

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

這里會(huì)執(zhí)行ReentrantLock中公平鎖的tryAcquire()方法

#java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.FairSync.tryAcquire():

static final class FairSync extends Sync { 
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
        final Thread current = Thread.currentThread(); 
        int c = getState(); 
        if (c == 0) { 
            if (!hasQueuedPredecessors() && 
                compareAndSetState(0, acquires)) { 
                setExclusiveOwnerThread(current); 
                return true; 
            } 
        } 
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { 
            int nextc = c + acquires; 
            if (nextc < 0) 
                throw new Error("Maximum lock count exceeded"); 
            setState(nextc); 
            return true; 
        } 
        return false; 
    } 
} 

這里會(huì)先判斷state值，如果不為0且獲取鎖的線程不是當(dāng)前線程，直接返回false代表獲取鎖失敗，被加入等待隊(duì)列。如果是當(dāng)前線程則可重入獲取鎖。

如果state=0則代表此時(shí)沒(méi)有線程持有鎖，執(zhí)行hasQueuedPredecessors()判斷AQS等待隊(duì)列中是否有元素存在，如果存在其他等待線程，那么自己也會(huì)加入到等待隊(duì)列尾部，做到真正的先來(lái)后到，有序加鎖。具體代碼如下：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.hasQueuedPredecessors():

public final boolean hasQueuedPredecessors() { 
    Node t = tail; 
    Node h = head; 
    Node s; 
    return h != t && 
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); 
} 

這段代碼很有意思，返回false代表隊(duì)列中沒(méi)有節(jié)點(diǎn)或者僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是當(dāng)前線程創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)。返回true則代表隊(duì)列中存在等待節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前線程需要入隊(duì)等待。

先判斷head是否等于tail，如果隊(duì)列中只有一個(gè)Node節(jié)點(diǎn)，那么head會(huì)等于tail，接著判斷head的后置節(jié)點(diǎn)，這里肯定會(huì)是null，如果此Node節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線程和當(dāng)前的線程是同一個(gè)線程，那么則會(huì)返回false，代表沒(méi)有等待節(jié)點(diǎn)或者等待節(jié)點(diǎn)就是當(dāng)前線程創(chuàng)建的Node節(jié)點(diǎn)。此時(shí)當(dāng)前線程會(huì)嘗試獲取鎖。

如果head和tail不相等，說(shuō)明隊(duì)列中有等待線程創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)直接返回true，如果只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而此節(jié)點(diǎn)的線程和當(dāng)前線程不一致，也會(huì)返回true

非公平鎖和公平鎖的區(qū)別：非公平鎖性能高于公平鎖性能。非公平鎖可以減少CPU喚醒線程的開(kāi)銷，整體的吞吐效率會(huì)高點(diǎn)，CPU也不必取喚醒所有線程，會(huì)減少喚起線程的數(shù)量

非公平鎖性能雖然優(yōu)于公平鎖，但是會(huì)存在導(dǎo)致線程饑餓的情況。在最壞的情況下，可能存在某個(gè)線程一直獲取不到鎖。不過(guò)相比性能而言，饑餓問(wèn)題可以暫時(shí)忽略，這可能就是ReentrantLock默認(rèn)創(chuàng)建非公平鎖的原因之一了。

5.Condition實(shí)現(xiàn)原理

Condition 簡(jiǎn)介

上面已經(jīng)介紹了AQS所提供的核心功能，當(dāng)然它還有很多其他的特性，這里我們來(lái)繼續(xù)說(shuō)下Condition這個(gè)組件。

Condition是在java 1.5中才出現(xiàn)的，它用來(lái)替代傳統(tǒng)的Object的wait()、notify()實(shí)現(xiàn)線程間的協(xié)作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition中的await()、signal()這種方式實(shí)現(xiàn)線程間協(xié)作更加安全和高效。因此通常來(lái)說(shuō)比較推薦使用Condition

其中AbstractQueueSynchronizer中實(shí)現(xiàn)了Condition中的方法，主要對(duì)外提供awaite(Object.wait())和signal(Object.notify())調(diào)用。

Condition Demo示例

使用示例代碼：

/** 
 * ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)源碼學(xué)習(xí) 
 * @author 一枝花算不算浪漫 
 * @date 2020/4/28 7:20 
 */ 
public class ReentrantLockDemo { 
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
 
    public static void main(String[] args) { 
        Condition condition = lock.newCondition(); 
 
        new Thread(() -> { 
            lock.lock(); 
            try { 
                System.out.println("線程一加鎖成功"); 
                System.out.println("線程一執(zhí)行await被掛起"); 
                condition.await(); 
                System.out.println("線程一被喚醒成功"); 
            } catch (Exception e) { 
                e.printStackTrace(); 
            } finally { 
                lock.unlock(); 
                System.out.println("線程一釋放鎖成功"); 
            } 
        }).start(); 
 
        new Thread(() -> { 
            lock.lock(); 
            try { 
                System.out.println("線程二加鎖成功"); 
                condition.signal(); 
                System.out.println("線程二喚醒線程一"); 
            } finally { 
                lock.unlock(); 
                System.out.println("線程二釋放鎖成功"); 
            } 
        }).start(); 
    } 
} 

執(zhí)行結(jié)果如下圖：

這里線程一先獲取鎖，然后使用await()方法掛起當(dāng)前線程并釋放鎖，線程二獲取鎖后使用signal喚醒線程一。

Condition實(shí)現(xiàn)原理圖解

我們還是用上面的demo作為實(shí)例，執(zhí)行的流程如下：

線程一執(zhí)行await()方法：

先看下具體的代碼實(shí)現(xiàn)，#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.await()：

public final void await() throws InterruptedException { 
    if (Thread.interrupted()) 
        throw new InterruptedException(); 
    Node node = addConditionWaiter(); 
    int savedState = fullyRelease(node); 
    int interruptMode = 0; 
    while (!isOnSyncQueue(node)) { 
        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 cancelled 
        unlinkCancelledWaiters(); 
    if (interruptMode != 0) 
        reportInterruptAfterWait(interruptMode); 
} 

await()方法中首先調(diào)用addConditionWaiter()將當(dāng)前線程加入到Condition隊(duì)列中。

執(zhí)行完后我們可以看下Condition隊(duì)列中的數(shù)據(jù)：

具體實(shí)現(xiàn)代碼為：

private Node addConditionWaiter() { 
    Node t = lastWaiter; 
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { 
        unlinkCancelledWaiters(); 
        t = lastWaiter; 
    } 
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); 
    if (t == null) 
        firstWaiter = node; 
    else 
        t.nextWaiter = node; 
    lastWaiter = node; 
    return node; 
} 

這里會(huì)用當(dāng)前線程創(chuàng)建一個(gè)Node節(jié)點(diǎn)，waitStatus為CONDITION。接著會(huì)釋放該節(jié)點(diǎn)的鎖，調(diào)用之前解析過(guò)的release()方法，釋放鎖后此時(shí)會(huì)喚醒被掛起的線程二，線程二會(huì)繼續(xù)嘗試獲取鎖。

接著調(diào)用isOnSyncQueue()方法判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為Condition隊(duì)列中的頭部節(jié)點(diǎn)，如果是則調(diào)用LockSupport.park(this)掛起Condition中當(dāng)前線程。此時(shí)線程一被掛起，線程二獲取鎖成功。

具體流程如下圖：

線程二執(zhí)行signal()方法：

首先我們考慮下線程二已經(jīng)獲取到鎖，此時(shí)AQS等待隊(duì)列中已經(jīng)沒(méi)有了數(shù)據(jù)。

接著就來(lái)看看線程二喚醒線程一的具體執(zhí)行流程：

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

先判斷當(dāng)前線程是否為獲取鎖的線程，如果不是則直接拋出異常。接著調(diào)用doSignal()方法來(lái)喚醒線程。

private void doSignal(Node first) { 
    do { 
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) 
            lastWaiter = null; 
        first.nextWaiter = null; 
    } while (!transferForSignal(first) && 
             (first = firstWaiter) != null); 
} 
 
final boolean transferForSignal(Node node) { 
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) 
        return false; 
 
    Node p = enq(node); 
    int ws = p.waitStatus; 
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) 
        LockSupport.unpark(node.thread); 
    return true; 
} 
 
/** 
 * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. 
 * @param node the node to insert 
 * @return node's predecessor 
 */ 
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; 
            } 
        } 
    } 
} 

這里先從transferForSignal()方法來(lái)看，通過(guò)上面的分析我們知道Condition隊(duì)列中只有線程一創(chuàng)建的一個(gè)Node節(jié)點(diǎn)，且waitStatue為CONDITION，先通過(guò)CAS修改當(dāng)前節(jié)點(diǎn)waitStatus為0，然后執(zhí)行enq()方法將當(dāng)前線程加入到等待隊(duì)列中，并返回當(dāng)前線程的前置節(jié)點(diǎn)。

加入等待隊(duì)列的代碼在上面也已經(jīng)分析過(guò)，此時(shí)等待隊(duì)列中數(shù)據(jù)如下圖：

接著開(kāi)始通過(guò)CAS修改當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前置節(jié)點(diǎn)waitStatus為SIGNAL，并且喚醒當(dāng)前線程。此時(shí)AQS中等待隊(duì)列數(shù)據(jù)為：

線程一被喚醒后，繼續(xù)執(zhí)行await()方法中的 while 循環(huán)。

public final void await() throws InterruptedException { 
    if (Thread.interrupted()) 
        throw new InterruptedException(); 
    Node node = addConditionWaiter(); 
    int savedState = fullyRelease(node); 
    int interruptMode = 0; 
    while (!isOnSyncQueue(node)) { 
        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 cancelled 
        unlinkCancelledWaiters(); 
    if (interruptMode != 0) 
        reportInterruptAfterWait(interruptMode); 
} 

因?yàn)榇藭r(shí)線程一的waitStatus已經(jīng)被修改為0，所以執(zhí)行isOnSyncQueue()方法會(huì)返回false。跳出while循環(huán)。

接著執(zhí)行acquireQueued()方法，這里之前也有講過(guò)，嘗試重新獲取鎖，如果獲取鎖失敗繼續(xù)會(huì)被掛起。直到另外線程釋放鎖才被喚醒。

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 GC 
                failed = false; 
                return interrupted; 
            } 
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 
                parkAndCheckInterrupt()) 
                interrupted = true; 
        } 
    } finally { 
        if (failed) 
            cancelAcquire(node); 
    } 
} 

此時(shí)線程一的流程都已經(jīng)分析完了，等線程二釋放鎖后，線程一會(huì)繼續(xù)重試獲取鎖，流程到此終結(jié)。

Condition總結(jié)

我們總結(jié)下 Condition 和 wait/notify 的比較：

• Condition 可以精準(zhǔn)的對(duì)多個(gè)不同條件進(jìn)行控制，wait/notify 只能和 synchronized 關(guān)鍵字一起使用，并且只能喚醒一個(gè)或者全部的等待隊(duì)列;
• Condition 需要使用 Lock 進(jìn)行控制，使用的時(shí)候要注意 lock() 后及時(shí)的 unlock()，Condition 有類似于 await 的機(jī)制，因此不會(huì)產(chǎn)生加鎖方式而產(chǎn)生的死鎖出現(xiàn)，同時(shí)底層實(shí)現(xiàn)的是 park/unpark 的機(jī)制，因此也不會(huì)產(chǎn)生先喚醒再掛起的死鎖，一句話就是不會(huì)產(chǎn)生死鎖，但是 wait/notify 會(huì)產(chǎn)生先喚醒再掛起的死鎖。

6.總結(jié)

這里用了一步一圖的方式結(jié)合三個(gè)線程依次加鎖/釋放鎖來(lái)展示了ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)方式和實(shí)現(xiàn)原理，而ReentrantLock底層就是基于AQS實(shí)現(xiàn)的，所以我們也對(duì)AQS有了深刻的理解。

另外還介紹了公平鎖與非公平鎖的實(shí)現(xiàn)原理，Condition的實(shí)現(xiàn)原理，基本上都是使用源碼+繪圖的講解方式，盡量讓大家更容易去理解。