嗯！这篇多线程不错！伍

开篇闲扯

前面几篇写了有关Java对象的内存布局、Java的内存模型、多线程锁的分类、Synchronized、Volatile、以及并发场景下出现问题的三大罪魁祸首。看起来写了五篇文章，实际上也仅仅是写了个皮毛，用来应付应付部分公司“八股文”式的面试还行，但是在真正的在实际开发中会遇到各种稀奇古怪的问题。这时候就要通过线上的一些监测手段，获取系统的运行日志进行分析后再对症下药，比如JDK的jstack、jmap、命令行工具vmstat、JMeter等等，一定要在合理的分析基础上优化，否则可能就是系统小“感冒”，结果做了个阑尾炎手术。

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又扯远了，老样子，还是先说一下本文主要讲点啥，然后再一点点解释。本文主要讲并发包JUC中的三个类：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock和StampedLock以及AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的一些基本概念。

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先来个脑图：

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Lock接口

public interface Lock {

    //加锁操作，加锁失败就进入阻塞状态并等待锁释放
    void lock();

    //与lock()方法一直，只是该方法允许阻塞的线程中断    
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    //非阻塞获取锁
    boolean tryLock();

    //带参数的非阻塞获取锁
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    //统一的解锁方法
    void unlock();

}

上面的源码展示了作为顶层接口Lock定义的一些基础方法。

lock只是个显示的加锁接口，对应不同的实现类，可以供开发人员进行自定义扩展。比如一些定时的可轮询的获取锁模式，公平锁与非公平锁，读写锁，以及可重入锁等，都能够很轻松的实现。Lock的锁是基于Java代码实现的，加解锁都是通过lock()和unlock()方法实现的。从性能上来说，Synchronized的性能（吞吐量）以及稳定性是略差于Lock锁的。但是，在Doug Lee参与编写的《Java并发编程实践》一书中又特别强调了，如果不是对Lock锁中提供的高级特性有绝对的依赖，建议还是使用Synchronized来作为并发同步的工具。因为它更简洁易用，不会因为在使用Lock接口时忘记在Finally中解锁而出bug。说到底，还是为了降低编程门槛，让Java语言更加好用。

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其实常见的几个实现类有：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock 接下来将详细讲解一下。

ReentrantLock

先简单举个使用的例子：

/**
 * FileName: TestLock
 * Author:   RollerRunning
 * Date:     2020/12/7 9:34 PM
 * Description:
 */
public class TestLock {
    private static int count=0;
    private static Lock lock=new ReentrantLock();
    public static void add(){
        // 加锁
        lock.lock();
        try {
            count++;
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            //在finally中解锁，加解锁必须成对出现
            lock.unlock();
        }
    }
}

ReentrantLock只支持独占式的获取公平锁或者是非公平锁（都是基于Sync内部类实现，而Sync又继承自AQS），在它的内部类Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer，并同时实现了tryAcquire()、tryRelease()和isHeldExclusively()方法等。同时，在ReentrantLock中还有其他两个内部类，一个是实现了公平锁一个实现了非公平锁，下面是ReentrantLock的部分源码：

/**
 * 非公平锁
 */
static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    /**
     * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
     * acquire on failure.
     */
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

/**
 * 公平锁
 */
static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

    //加锁时调用
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    /**
     * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
     * recursive call or no waiters or is first.
     */
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        //获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取父类 AQS 中的int型state
        int c = getState();
        //判断锁是否被占用
        if (c == 0) {
            //这个if判断中，先判断队列是否为空，如果为空则说明锁可以正常获取，然后进行CAS操作并修改state标志位的信息
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                //CAS操作成功，设置AQS中变量exclusiveOwnerThread的值为当前线程，表示获取锁成功
                setExclusiveOwnerThread(current);
                //返回获取锁成功
                return true;
            }
        }
        //而当state的值不为0时，说明锁已经被拿走了，此时判断锁是不是自己拿走的，因为他是个可重入锁。
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            //如果是当前线程在占用锁，则再次获取锁，并修改state的值
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        //当标志位不为0，且占用锁的线程也不是自己时，返回获取锁失败
        return false;
    }
}

/**
 * AQS中排队的方法
 */
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);
    }
}

上面是以公平锁为例对源码进行了简单的注释，可以根据这个思路，看一看非公平锁的源码实现，再关闭源码试着画一下整个流程图，了解其内部实现的真谛。我先画为敬了：

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这里涵盖了ReentrantLock的加锁基本流程，观众老爷是不是可以试着画一下解锁的流程，还有就是这个例子是独占式公平锁，独占式非公平锁的总体流程大差不差，这里就不赘述了。

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ReentrantReadWriteLock

一个简单的使用示例，大家可以自己运行感受一下：

/**
 * FileName: ReentrantReadWriteLockTest
 * Author:   RollerRunning
 * Date:     2020/12/8 6:48 PM
 * Description: ReentrantReadWriteLock的简单使用示例
 */
public class ReentrantReadWriteLockTest {
    private static ReentrantReadWriteLock READWRITELOCK = new ReentrantReadWriteLock();
    //获得读锁
    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock READLOCK = READWRITELOCK.readLock();
    //获得写锁
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock WRITELOCK = READWRITELOCK.writeLock();

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantReadWriteLockTest lock = new ReentrantReadWriteLockTest();
        //分别启动两个读线程和一个写线程
        Thread readThread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.read();
            }
        },"read1");

        Thread readThread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.read();
            }
        },"read2");

        Thread writeThread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.write();
            }
        },"write");

        readThread1.start();
        readThread2.start();
        writeThread.start();
    }

    public void read() {
        READLOCK.lock();
        try {
            System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 获取读锁。。。");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 释放读锁。。。");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            READLOCK.unlock();
        }
    }

    public void write() {
        WRITELOCK.lock();
        try {
            System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 获取写锁。。。");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 释放写锁。。。");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            WRITELOCK.unlock();
        }
    }
}

前面说了ReentrantLock是一个独占锁，即不论线程对数据执行读还是写操作，同一时刻只允许一个线程持有锁。但是在一些读多写少的场景下，这种不分青红皂白就无脑加锁对的做法不够极客也很影响效率。因此，基于ReentrantLock优化而来的ReentrantReadWriteLock就出现了。这种锁的思想是“读写锁分离”，多个线程可以同时持有读锁，但是不允许多个线程持有相同写锁或者同时持有读写锁。关键源码解读：

//加共享锁
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    //获取当前加锁的线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    //获取锁状态信息
    int c = getState();
    //判断当前锁是否可用，并判断当前线程是否独占资源
    if (exclusiveCount(c) != 0 && 
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;
    //获取读锁的数量
    int r = sharedCount(c);
    //这里做了三个判断：是否阻塞即是否为公平锁、持有该共享锁的线程是否超过最大值、CAS加共享读锁是否成功
    if (!readerShouldBlock() &&
        r < MAX_COUNT &&
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
        //当前线程为第一个加读锁的，并设置持有锁线程数量
        if (r == 0) {
            firstReader = current;
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) {
            //当前表示为重入锁
            firstReaderHoldCount++;
        } else {
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                //获取当前线程的计数器
                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
            else if (rh.count == 0)
                //添加到readHolds中，这里是基于ThreadLocal实现的，每个线程都有自己的readHolds用于记录自己重入的次数
                readHolds.set(rh);
            rh.count++;
        }
        return 1;
    }
    return fullTryAcquireShared(current);
}

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
    HoldCounter rh = null;
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (exclusiveCount(c) != 0) {
            if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
            // else we hold the exclusive lock; blocking here
            // would cause deadlock.
        } else if (readerShouldBlock()) {
            // Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
            if (firstReader == current) {
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
            } else {
                if (rh == null) {
                    rh = cachedHoldCounter;
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
                        rh = readHolds.get();
                        if (rh.count == 0)
                            readHolds.remove();
                    }
                }
                if (rh.count == 0)
                    return -1;
            }
        }
        if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
            if (sharedCount(c) == 0) {
                firstReader = current;
                firstReaderHoldCount = 1;
            } else if (firstReader == current) {
                firstReaderHoldCount++;
            } else {
                if (rh == null)
                    rh = cachedHoldCounter;
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                    rh = readHolds.get();
                else if (rh.count == 0)
                    readHolds.set(rh);
                rh.count++;
                cachedHoldCounter = rh; // cache for release
            }
            return 1;
        }
    }
}

在ReentrantReadWriteLock中，也是基于AQS来实现的，在它的内部使用了一个int型（4字节32位）的stat来表示读写锁，其中高16位表示读锁，低16位表示写锁，而对于读写锁的判断通常是对int值以及高低16位进行判断。接下来用一张图展示一下获取共享的读锁过程：

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至此，分别展示了获取ReentrantLock独占锁和ReentrantReadWriteLock共享读锁的过程，希望能够帮助大家跟面试官PK。

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总结一下前面说的两种锁：

当线程持有读锁时，那么就不能再获取写锁。当A线程在获取写锁的时候，如果当前读锁被占用，立即返回失败失败。

当线程持有写锁时，该线程是可以继续获取读锁的。当A线程获取读锁时如果发现写锁被占用，判断当前写锁持有者是不是自己，如果是自己就可以继续获取读锁，否则返回失败。

StampedLock

StampedLock其实是对ReentrantReadWriteLock进行了进一步的升级，试想一下，当有很多读线程，但是只有一个写线程，最糟糕的情况是写线程一直竞争不到锁，写线程就会一直处于等待状态，也就是线程饥饿问题。StampedLock的内部实现也是基于队列和state状态实现的，但是它引入了stamp(标记)的概念，因此在获取锁时会返回一个唯一标识stamp作为当前锁的版本，而在释放锁时，需要传递这个stamp作为标识来解锁。

从概念上来说StampedLock比RRW多引入了一种乐观锁的思想，从使用层面来说，加锁生成stamp，解锁需要传同样的stamp作为参数。最后贴一张我整理的这部分脑图：

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