查漏补缺synchronized和ReentrantLock的基本原理

一、java锁的类型

java的锁有这么几类。

乐观锁和悲观锁

乐观锁就是JVM认为不通过加锁也能保证并发的正确性。典型实现是诸如AtomicInteger的实现。
悲观锁就是需要加锁互斥。典型实现是Synchronized(Synchronized属于乐观锁还是悲观锁其实跟具体实现有关，大部分场景下都是悲观锁)和ReentrantLock。

可重入和不可重入

可重入是指当一个线程获取了锁，但是没有释放，这个线程又要获取这个锁，仍然能获取成功。Synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。
不可重入是可重入的否命题，这样自己会把自己死锁。应该没有这样的实现。

公平锁和非公平锁

公平锁是先请求锁的线程肯定先获得锁，也就是FIFO。公平说是不是就是合理的?可能也不一定，因为这会造成上下文的切换。ReentrantLock默认是非公平锁，但是可以通过构造方法构造公平锁实例。
非公平锁是新来的线程有优先获得锁的机会，也就是可以插队。合理吗?可能也不合理，因为这可能造成“饿死”现象：在排队的旧的线程总是获取不到锁。Sysnchronized其实就是非公平锁。

排他锁和共享锁

排他锁是一个线程获得锁之后，其他线程不能再获得锁。大多数场景下都是排他锁。
共享锁是指多个线程可以同时获得锁。常见的是多个线程可以同时获得读锁。

二、synchronized

synchronized基本原理是通过CPU指令实现的。在jdk1.6之前是很重的锁。因为java的多线程与操作系统的线程是一一对应的。当java线程阻塞的时候需要切换到内核态的线程进行阻塞，唤醒的时候又要从内核态切换到用户态，进行了很重的上下文切换。那么能不能当一个线程获取不到锁的时候不阻塞呢?自旋可以吗?这样就有了synchronized的四种实现：无锁、偏向锁、轻量锁、重量锁。

synchronized锁的是java的对象头，再详细点是mark word。

无锁

这个没有什么好说的。没有将这个对象通过synchronized包括。

偏向锁

当只有一个线程在访问锁的时候，会在mark word中通过CAS的方式设置当前线程的threadId。如果成功的话，加锁成功(由于只有一个线程，肯定成功)。这样当这个线程再次请求锁的时候，看mark word的thread id和自己是否相同，如果相同加锁成功。注意，它是没有解锁操作的。如果是另一个线程也来了，由于上一个线程没有解锁操作，这个新线程的CAS肯定失败。这时当JVM没有字节码要执行的时候(全局安全点)，会检查上一个线程有没有结束，如果结束，则通过CAS将mark word中的thread id字段更新为新线程的threadId。如果上一个线程没有结束，这就存在并发了。偏向锁无法完成使命，需要升级为轻量锁。

轻量锁

接着上面偏向锁的上一个线程A和新的线程B的例子。JVM此时进行一下线程A对mark word的操作。将mark word拷贝到当前线程的栈空间中，CAS操作mark word的指针指向这个栈空间的地址，CAS操作当前线程的栈空间再加一个指向mark word的指针，这两个操作成功后，其实第一个CAS成功就是成功，这样线程A就获得了锁，升级成为了轻量锁。线程B会自旋等待线程A的释放。线程A怎么释放锁呢?只要将第一个CAS操作的指针(mark word指向线程栈的指针)释放了就可以了，线程B自旋检测mark word的指向，去抢占锁。如果此时又来一个线程C呢?是不是也自旋?可以同时有几个线程自旋?线程B能自旋多少次?这些都是有JVM参数可配置的。

重量锁

这个其实也没什么好说的。存在并发访问时，直接将线程切换到内核态阻塞。

三、ReentrantLock

ReentrantLock是通过AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现的。需要解决的问题：

需要有个状态表示这个lock对象是不是被抢占了，如果可重入的话，被这个线程抢占了多少次。这个状态标识其实就是AQS的state成员变量。对state的操作肯定要线程安全。可以通过CAS解决。

protectedfinalbooleantryAcquire(intacquires){

finalThreadcurrent=Thread.currentThread();

intc=getState();

if(c==0){

//这个是公平锁的实现。需要判断队列中有没有等待的线程，

//如果没有才进行CAS抢占

if(!hasQueuedPredecessors()&&

compareAndSetState(0,acquires)){

setExclusiveOwnerThread(current);

returntrue;

}

}

//这里就是可重入逻辑

elseif(current==getExclusiveOwnerThread()){

intnextc=c+acquires;

if(nextc<0)

thrownewError("Maximumlockcountexceeded");

setState(nextc);

returntrue;

}

returnfalse;

}

多个线程同时抢占lock，只有一个线程能成功，其他线程怎么排队呢?排队的线程怎么抢占锁呢?这就用到了一个队列。这个队列的插入是通过自旋和CAS实现的。

privateNodeaddWaiter(Nodemode){

Nodenode=newNode(mode);

//循环尝试

for(;;){

NodeoldTail=tail;

if(oldTail!=null){

//无锁修改前驱指针

node.setPrevRelaxed(oldTail);

//CAS修改tail

if(compareAndSetTail(oldTail,node)){

//修改后续指针

oldTail.next=node;

returnnode;

}

}else{

initializeSyncQueue();

}

}

}

排队的线程抢占lock呢?

finalbooleanacquireQueued(finalNodenode,intarg){

booleaninterrupted=false;

try{

for(;;){

finalNodep=node.predecessor();

//如果前驱节点是头节点，并且获取锁成功，直接返回。

//但是大多数情况，可能运气没这么好

if(p==head&&tryAcquire(arg)){

setHead(node);

p.next=null;//helpGC

returninterrupted;

}

//是否需要阻塞

if(shouldParkAfterFailedAcquire(p,node))

//这里阻塞

interrupted|=parkAndCheckInterrupt();

}

}catch(Throwablet){

cancelAcquire(node);

if(interrupted)

selfInterrupt();

throwt;

}

}

怎么唤醒上面阻塞的线程呢?这就要看下释放逻辑。

publicfinalbooleanrelease(intarg){

//释放lock

if(tryRelease(arg)){

Nodeh=head;

if(h!=null&&h.waitStatus!=0)

unparkSuccessor(h);//唤醒头结点的后续节点。注意头结点是虚节点，没有实在意义

returntrue;

}

returnfalse;

}