【并发编程-2】JUC-1

Lock

互斥锁：

1、锁的可重入性：

当一个线程调用object.lock()获取到锁，进入临界区后，还可以再次调用object.lock()。

通常锁都应该设计为可重入，否则就会发生死锁（比如lock方法中调用另一个lock方法）。  比如synchronized就是可重入，在一个synchronized方法中可以继续调用另一个synchronized方法。

2、Lock：

基本认识：

public interface Lock {
    //一直等待直到获取锁
    void lock();
    //可以被中断，不再等待
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    //获取不到马上放弃
    boolean tryLock();
    //在指定时间内不断尝试获取
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

ReentrantLock实现Lock接口，它的实现都在Sync类中：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;
    
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }// ...
}

我们说了锁需要作用在一个共同的对象，ReentrantLock中便是Sync对象。Sync是一个抽象类，它有两个子类FairSync与NonfairSync，分别对应公平锁和非公平锁。

如果一个线程来了不排队，直接去抢锁，就是非公平。 这也是默认的构造方法，目的是为了提高效率。

锁的基本原理：

Sync 的父类 AbstractQueuedSynchronizer，被称作队列同步器（AQS），它的父类是AbstractOwnableSynchronizer（AOS）。  看命名，都是Synchronizer结尾，因此，此锁具有备synchronized 功能，可以阻塞一个线程。    为了实现一把具有阻塞或唤醒功能的锁，需要几个要素：

1. 需要一个state变量，标记该锁的状态。state变量至少有两个值：0、1。对state变量的操作， 使用CAS（Compare and Swap）保证线程安全。
2. 需要记录当前是哪个线程持有锁。
3. 需要底层支持对一个线程进行阻塞或唤醒操作。
4. 需要有一个队列维护所有阻塞的线程。这个队列也必须是线程安全的无锁队列，也需要使用 CAS。

针对1和2，Sync的两个父类AOS、AQS已有对应的实现：

public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements
java.io.Serializable {
    private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 记录持有锁的线程
}
 
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends
AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    private volatile int state; // 记录锁的状态，通过CAS修改state的值。
}

state可以大于1，例如，同样一个线程，调用5次lock，state会变成5；然后调用5次unlock，state减为0。

• 当state=0时，没有线程持有锁，exclusiveOwnerThread=null；
• 当state=1时，有一个线程持有锁，exclusiveOwnerThread=该线程；
• 当state > 1时，说明该线程重入了该锁；

针对第3点：Unsafe类提供了阻塞或唤醒线程的一对操作，park/unpark。 LockSupport工具类进行了进一步封装：

public class LockSupport {
    // ...
    private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
    public static void park() {
        U.park(false, 0L);
    }
    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null)
            U.unpark(thread);
    }
}

所以可以使用该工具来实现：当一个线程中调用park()，该线程就会被阻塞； 然后另一个线程中调用

unpark(Thread thread)，传入一个被阻塞的线程，就可以将其唤醒（notify只能唤醒一个不确定的线程）。

针对第4点：AOS这个父类中，还实现了一个双向链表的阻塞队列，存放阻塞的线程：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer {
    // ...
    static final class Node {
        volatile Thread thread; // 每个Node对应一个被阻塞的线程
        volatile Node prev;
        volatile Node next;
// ...
    }
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
// ...
}

head指向第一个Node的位置，tail指向下一个要添加的位置。 初始为空，head和tail都指向null，入队时往tail处添加，tail往后移指向下一个null；出队时，将head指向的Node移除，head往后移。   所以，当head=tail=null时，代表队列为空。

ReentrantLock在公平性和非公平性上的实现差异：

非公平锁：如果state为0，直接将当前线程设置为锁持有者，并设置state的值；  如果state不是0，但锁的持有者是当前线程，直接更新state。

公平锁：如果state为0，要看看队列中有没有其他等待线程，如果没有才将当前线程设置为持有者；   如果state不为0，和上面一样。

问：基于非公平锁，先后有多个线程请求，是依次获取锁吗？

不一定。   非公平锁的作用在于，线程来获取锁的时候，恰好没有其他线程持有锁，那么可以优先获取锁。。 否则，也需要加入队列中，依次等待获取。

阻塞队列与唤醒机制：

lock.lock()

调用lock.lock()，最终会到AQS中的核心方法，acquire:

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

解析：

1. 如果tryAcquire没有获取到锁，就调用acquireQueued（加入队列并阻塞）。
2. 在acquireQueued中先调用addWaiter: 为当前线程生成一个Node，然后把Node放入双向链表的尾部。 此时还未阻塞，需要调用acquireQueued。  线程一旦进入acquireQueued方法，就会无限期阻塞，即使其他线程调用interrupt也无法唤醒，直到方法结束，也就是它获取到锁那一刻才会被唤醒。此时，会删除队列的第一个Node。

        阻塞方法parkAndCheckInterrupt，其实就是调用了LockSupport.park方法。另外，在队列中会一直循环尝试获取锁，当前一个节点是头节点时，才有可能获取成功。 

       3.此外，acquireQueued有个返回值，代表当前线程有没有中断标志（在阻塞期间，可能有其他线程给他发送过中断信号，但此时无法响应），如果有会调用selfInterrupt()，自己给自己发送一下中断信号，重新响应一下中断。

lock.unlock()

unlock 不区分公不公平，直接释放锁后，唤醒head节点，让其获取锁。

代码逻辑在AQS中：

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

如果尝试释放锁成功，就调用unparkSuccessor唤醒头节点，让其获取锁。

tryRelease中，就是判断当前线程是否持有锁，并state的值减到0为止。 参数中的releases，在上层调用unlock时默认传的1，因此，lock了几次，就要调用unlock几次，才能真正的释放锁。

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;
        }

lockInterruptibly ()：

ReentrantLock除了lock()方法，还可以调用lockInterruptibly ()，此方法可以响应中断。 底层调用了AQS中的acquireInterruptibly：

    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

里面的tryAcquire只是个模版方法，分别被FairSync和 NonfairSync实现。  当tryAcquire中没有获取到锁时，会执行doAcquireInterruptibly，判断如果有其他线程发了中断信号，则抛出异常，不会一直阻塞。

tryLock():

ReentrantLock中，其实用的比较多的，还有tryLock。 它是基于非公平锁的tryAcquire实现逻辑，如果拿到锁就返回true，否则返回false，不会一直阻塞等待。

读写锁：

与上面的互斥锁ReentrantLock相比，读写锁（ReadWriteLock）也是实现了Lock接口。 但是，它可以满足：读读不互斥（一个线程获取了读锁，其他线程还能获取读锁），读写互斥（一个线程获取了读锁，其他线程就不能获取写锁。 反之亦然。），写写互斥（一个线程获取了写锁，其他线程不能再获取写锁）。 ReadWriteLock也是个接口，具体逻辑由ReentrantReadWriteLock实现（RRWL）。  而在RRWL中，有两个内部类，读锁与写锁，也是实现了Lock。 因此，在使用读写锁时，要分别获取读锁与写锁：

ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock ();

Lock readLock = readWriteLock . readLock ();

readLock . lock ();

// 进行读取操作

readLock . unlock ();

Lock writeLock = readWriteLock . writeLock ();

writeLock . lock ();

// 进行写操作

writeLock . unlock ();

实际上，两把锁都只是同一把锁的两个视图而已，他们只有一个sync对象， 所以，在同一个对象中，也才能实现读写互斥的逻辑：当对象中state=0时，说明没有线程持有锁；当state != 0时，要么有线程持有读锁，要么有线程持有写锁。再通过 sharedCount(state)和exclusiveCount(state)判断到底是读线程还是写线程持有了该锁。

从构造方法可以看出，共用了一个sync，sync也同样实现了公平，非公平的逻辑，并继承AQS。

(注意，这里的sync，是ReentrantReadWriteLock中的内部类； 上面说的互斥锁中的sync，是ReentrantLock的内部类。 包括公平与非公平实现类，也都各是各的， 只不过sync都是继承了同一个AQS)

public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    readerLock = new ReadLock(this);
    writerLock = new WriteLock(this);
}

因此，两把锁的逻辑实现，其实就是调用了sync的方法（AQS的方法，由多个sync继承实现）：acquire/release（互斥锁和读写锁的写锁）、acquireShared/releaseShared（读写锁的读锁），公平和非公平（是否需要阻塞）在sync不同的子类中实现：

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -8159625535654395037L;
    // 写线程抢锁的时候是否应该阻塞
    final boolean writerShouldBlock() {
// 写线程在抢锁之前永远不被阻塞，非公平锁
        return false;
    }
    // 读线程抢锁的时候是否应该阻塞
    final boolean readerShouldBlock() {
// 读线程抢锁的时候，当队列中第一个元素是写线程的时候要阻塞（即便是非公平，也要排在写线程之后）
        return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
    }
}

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -2274990926593161451L;
    // 写线程抢锁的时候是否应该阻塞
    final boolean writerShouldBlock() {
// 写线程在抢锁之前，如果队列中有其他线程在排队，则阻塞。公平锁
        return hasQueuedPredecessors();
    }
    // 读线程抢锁的时候是否应该阻塞
    final boolean readerShouldBlock() {
// 读线程在抢锁之前，如果队列中有其他线程在排队，阻塞。公平锁
        return hasQueuedPredecessors();
    }
}

对于公平，都需要排队获取锁；   对于非公平，就要分情况了：

1. 写锁：当state=0没有其他线程持有锁（或者state!=0，但是持锁的是自己），直接获取锁，不用排队。
2. 读锁：如果队列的第一个是写线程，先让写线程获取锁，否则可能导致写线程一直获取不到。

Condition:

Condition本身也是一个接口，其功能和wait/notify类似，必须同Lock一起使用。 所以，Lock接口中，有一个和创建Conditon的方法。

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    // 所有的Condition都是从Lock中构造出来的
    Condition newCondition();
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
}

public interface Condition {
    void await() throws InterruptedException;
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    void awaitUninterruptibly();
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    void signal();
    void signalAll();
}

我们知道，如果使用wait notify，是无差别唤醒。 假如只有一个生产者和一个消费者还好，如果有多个，可能出现生产者通知生产者、消费者通知消费者的问题(如果没有使用notifyAll，还可能出现死锁)。 而使用Condition，就可以精确唤醒，具体用法就是在Lock中new 两个Condition，分别给生产者和消费者使用（生产者使用condition1来等待，也可以唤醒condition2；  消费者则反过来）。

StampedLock:

StampedLock是在JDK8中新增的，可以支持读写不互斥。 

ReentrantReadWriteLock 采用的是 “ 悲观读 ” 的策略，当第一个读线程拿到锁之后，

第二个、第三个读线程还可以拿到锁，使得写线程一直拿不到锁，可能导致写线程 “ 饿死 ” 。虽然在其公平或非公平的实现中，都尽量避免这种情形，但还有可能发生。

StampedLock 引入了 “ 乐观读 ” 策略，读的时候不加读锁，读出来发现数据被修改了，再升级为 “ 悲观读” ，相当于降低了 “ 读 ” 的地位，把抢锁的天平往 “ 写 ” 的一方倾斜了一下，避免写线程被饿死。