【AQS面試篇】瞭解ReentrantLock嗎？講講其底層實現

1. ReentrantLock和AQS的關係

Lock的使用：

Lock lock = new ReentrantLock();

// 加鎖
lock.lock();
try {
    // 執行緒任務
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    // 釋放鎖
    lock.unlock();
}

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock底層，是基於AQS來實現的

AQS（AbstractQueuedSynchronizer），抽象佇列同步器。ReentrantLock內部包含了AQS物件，AQS是ReentrantLock實現加鎖和釋放鎖的關鍵核心元件

AQS 佇列同步器 三要素 ：

1. CAS 通過此來競爭鎖資源
2. LockSurpport.park/unpark 執行緒阻塞和釋放
3. CLH 雙向連結串列 存放被阻塞的執行緒

AQS原理

AQS：AbstractQuenedSynchronizer抽象的佇列式同步器。是除了java自帶的synchronized關鍵字之外的鎖機制。AQS的全稱為（AbstractQueuedSynchronizer），這個類在java.util.concurrent.locks包

AQS的核心思想：

如果被請求的共享資源空閒，則將當前請求資源的執行緒設定為有效的工作執行緒，並將共享資源設定為鎖定狀態，如果被請求的共享資源被佔用，那麼就需要一套執行緒阻塞等待以及被喚醒時鎖分配的機制，這個機制AQS是用CLH佇列鎖實現的，即將暫時獲取不到鎖的執行緒加入到佇列中。

用大白話來說，AQS就是基於CLH佇列，用volatile修飾共享變數state，執行緒通過CAS去改變狀態符，成功則獲取鎖成功，失敗則進入等待佇列，等待被喚醒。

• CLH（Craig，Landin，and Hagersten）佇列是一個虛擬的雙向佇列，虛擬的雙向佇列即不存在佇列例項，僅存在節點之間的關聯關係。

• AQS是將每一條請求共享資源的執行緒封裝成一個CLH鎖佇列的一個結點（Node），來實現鎖的分配

AQS維護了一個volatile int state和一個FIFO執行緒等待佇列，多執行緒爭用資源被阻塞的時候就會進入這個佇列。

state就是共享資源，其訪問方式有如下三種：

• getState()
• setState()
• compareAndSetState();

CLH佇列–雙向連結串列實現

?AQS 同步器原理分析

AQS Node節點被 volatile 修飾，head 和 tail（即：連結串列的頭部和尾部）

// Head of the wait queue, lazily initialized. 
private transient volatile Node head;
 
// Tail of the wait queue, lazily initialized. .
private transient volatile Node tail;

注意：AQS是自旋鎖： 在等待喚醒的時候，經常會使用自旋while(!cas())的方式，不停地嘗試獲取鎖，直到被其他執行緒獲取成功

實現了AQS的鎖有：自旋鎖、互斥鎖、讀鎖寫鎖、條件產量、訊號量、柵欄都是AQS的衍生物

2. ReentrantLock鎖機制原理

AQS內部核心

• state int型別，初始為0。代表加鎖的狀態
• 關鍵變數，記錄當前獲取到鎖的執行緒，初值為null

初始時，執行緒A呼叫RentrantLock的lock方法嘗試加鎖，加鎖的過程是用CAS將state由0變為1

此時執行緒A獲取鎖成功

執行緒A加鎖成功後，將加鎖執行緒設定為自己

可重入鎖

執行緒A再次獲取到了鎖，判斷當前加鎖執行緒是否是自己？，是的話再次獲取鎖成功，satte類加1

互斥鎖

執行緒B想要獲取鎖，先判斷state是否為0

• state = 0，嘗試獲取鎖
• state != 0，看持有鎖的執行緒是否是自己；不是則進入到等待佇列
• 執行緒B等待執行緒A釋放鎖之後，嘗試重新獲取

AQS中有一個等待佇列，存放獲取鎖?失敗的執行緒

釋放鎖

state變數減一，為0時徹底釋放鎖，不再持有資源，直至 加鎖執行緒為null

接下來，從等待佇列的對頭喚醒執行緒B，重新嘗試加鎖

• 執行緒B重複上述操作，獲取鎖成功

3. AQS資源共享方式

AQS 定義了兩種資源共享方式：

1. Exclusive：獨佔，只有一個執行緒能執行，如ReentrantLock
2. Share：共享，多個執行緒可以同時執行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier

不同的自定義的同步器爭用共享資源的方式也不同

4. AQS底層使用了模板方法模式

同步器的設計是基於模板方法模式的，如果需要自定義同步器一般的方式是這樣（模板方法模式很經典的一個應用）：

1. 使用者繼承AbstractQueuedSynchronizer並重寫指定的方法。
2. 將AQS組合在自定義同步元件的實現中，並呼叫其模板方法，而這些模板方法會呼叫使用者重寫的方法。
   這和我們以往通過實現介面的方式有很大區別，這是模板方法模式很經典的一個運用。

自定義同步器在實現的時候只需要實現共享資源state的獲取和釋放方式即可，至於具體執行緒等待佇列的維護，AQS已經在頂層實現好了。自定義同步器實現的時候主要實現下面幾種方法：

• isHeldExclusively()：該執行緒是否正在獨佔資源。只有用到Condition才需要去實現它；

獨佔

• tryAcquire(int)：獨佔方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false；
• tryRelease(int)：獨佔方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false；

共享

• tryAcquireShared(int)：共享方式。嘗試獲取資源。負數表示失敗；0表示成功，但沒有剩餘可用資源；正數表示成功，且有剩餘資源；
• tryReleaseShared(int)：共享方式。嘗試釋放資源，如果釋放後允許喚醒後續等待結點返回true，否則返回false；

ReentrantLock為例

（可重入獨佔式鎖）：state初始化為0，表示未鎖定狀態，A執行緒lock()時，會呼叫tryAcquire()獨佔鎖並將state+1.之後其他執行緒再想tryAcquire的時候就會失敗，直到A執行緒unlock（）到state=0為止，其他執行緒才有機會獲取該鎖。A釋放鎖之前，自己也是可以重複獲取此鎖（state累加），這就是可重入的概念。

注意：獲取多少次鎖就要釋放多少次鎖，保證state是能回到零態的

CountDownLatch為例

任務分N個子執行緒去執行，state就初始化 為N，N個執行緒並行執行，每個執行緒執行完之後countDown()一次，state就會CAS減一。當N子執行緒全部執行完畢，state=0，會unpark()主呼叫執行緒，主呼叫執行緒就會從await()函式返回，繼續之後的動作。

一般來說，自定義同步器要麼是獨佔方法，要麼是共享方式，他們也只需實現tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一種即可。但AQS也支援自定義同步器同時實現獨佔和共享兩種方式，如ReentrantReadWriteLock。

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部分內容參考自：

• AQS詳解

• Java併發之AQS詳解

• Java技術之AQS詳解