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作者:为什么算法这么难

出处:https://segmentfault.com/a/48679

LockSupport

LockSupport是线程等待唤醒机制（wait/notify）的改良版本。LockSupport中的 park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和接触阻塞线程。

3种让线程等待和唤醒的方法（线程通信）

方式1：使用Object中的wait()方法让线程等待，notify()方法唤醒线程

synchronized + wait + notify

方式1：使用Object中的wait()方法让线程等待，notify()方法唤醒线程

static Object objectLock = new Object(); // 创建锁 public static void main(String[] args) { // 创建A线程，进入后打印，并阻塞。 new Thread(() -> { synchronized (objectLock) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进来了！"); objectLock.wait(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒！"); } }, "A").start(); // 创建B线程，用于唤醒 new Thread(() -> { synchronized (objectLock) { objectLock.notify(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 通知！"); } }, "B").start(); }

wait、notify的限制：

• 我们发现 wait 和 notify 如果不在一个代码块里面，必须与 synchronized 搭配使用，否则会报错。
• 如果我们先使用notify、再使用wait，因为wait是后执行了，所以 不能被唤醒 。

方式2：使用JUC包中Condition的await()方法让线程等待，signal()方法唤醒线程

Lock + await + signal

// 创建Lock对象，得到condition static Lock lock = new ReentrantLock(); static Condition condition = lock.newCondition(); public static void main(String[] args) { // 创建A线程，用await方法阻塞 new Thread(() -> { lock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进来了！"); condition.await(); } finally { lock.unlock(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒！"); }, "A").start(); // 创建B线程，用于唤醒 new Thread(() -> { lock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 通知！"); condition.signal(); } finally { lock.unlock(); } }, "B").start(); }

await、signal的限制：

• 和 wait 、notify 的问题一模一样，他们的底层机制是一样的。

方式3：LockSupport类可以阻塞当前线程以及唤醒指定被阻塞的线程

park + unpark，每个线程都有一个 “许可证” ，只有 0 和 1，默认为 0。 unpark(Thread t) 方法发放许可证，没许可证就不允许放行。

public static void main(String[] args) { // 创建A线程，用park()方法阻塞 Thread a = new Thread(() -> { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进来了！"); LockSupport.park(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒！"); }, "A"); a.start(); // 创建B线程，用于唤醒 Thread b = new Thread(() -> { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 通知！"); // 唤醒指定线程 LockSupport.unpark(a); }, "B"); b.start(); }

LockSupport的优势：

• 既不用synchronized或Lock。
• 先唤醒，再阻塞，也能够被唤醒。因为线程已经有了 “许可证” 了，所以park()方法相当于没执行。

park底层调用了unsafe类的park本地方法。

UNSAFE.park(false, 0L);

调用一次 unpark 就加 1，变为 1。调用一次 park 会消费许可证，变回 0。重复调用 unpark 不会积累凭证。

AQS理论

• AQS（AbstractQueuedSynchronizer），抽象的队列同步器。ReentrantLock类里，有一个内部类Sync就是继承的AQS类。
• AQS是用来构建锁 或者 其他同步器组件的 重量级基础框架及整个JUC体系的基石 。通过内置的FIFO 队列 来完成资源获取线程的排队工作，并通过一个 int类型变量 表示持有锁的状态。

AQS的作用

和AQS有关的 ：ReentrantLock、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock、Semaphore……

锁和同步器的关系：

• 锁，面向锁的使用者。
• 同步器，面向锁的实现者。

如果共享资源被占用，就需要一定的 阻塞等待唤醒机制来保证锁的分配 。这个机制主要用的是 CLH队列 的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中，这个队列就是AQS的抽象表现。它将请求共享资源的线程封装成 队列的结点（Node） ，通过 CAS 自旋以及 LockSupport.park() 的方式，维护state变量的状态，使并发达到同步的控制效果。

AQS源码体系

AQS使用一个volatile的int类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队，将每条要去抢占资源的线程封装成一个Node结点来实现锁的分配，通过CAS完成对State值的修改。

• 表示同步状态的int成员变量

private volatile int state;

state为 0 就是没人占用，可以去获取资源。大于等于 1，有人占用资源，需要排队。

• CLH队列

CLH队列，是一个双向队列。通过自旋等待，state变量判断是否阻塞。

内部类Node作为载体，装的是需要排队的线程。

• 内部类Node

队列中每一个排队的个体就是一个Node。Node有前结点 prev 、 后结点 next 、头指针 head 、尾指针 tail ，用于完成双向队列。

Node类里有两个模式：SHARED（表示线程以共享的模式等待锁）、EXCLUSIVE（表示线程以独占的方式等待锁）

类中也有一个int类型的状态变量 waitStatus 。意思是等候区其他线程的等待状态。

volatile int waitStatus;

从ReentrantLock开始解读AQS

ReentrantLock类中有个子类Sync继承了AQS类，NonfairSync类和FairSync继承了Sync类。

new一个ReentrantLock类时，不传参数默认是非公平锁（NonfairSync），传入true是公平锁（FairSync）

公平锁和非公平锁实现方法的唯一区别就在于：公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件： hasQueuePredecessors() 。

这个是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法。因为公平锁是先排先得。

• 公平锁：讲究先来先到，线程在获取锁时，如果等待队列中以及有线程在等待，那么当前线程就会进入等待队列中。
• 非公平锁：不管是否有等待队列，都会去尝试获得锁。

AQS非公平锁就是，一来就先去插队，如果插队失败，才去乖乖的排队。

银行办理业务案例

public static void main(String[] args) { ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 带入一个银行办理业务的案例来模拟我们的AQS如果进行线程的管理和通知唤醒机制 // 3个线程模拟3个来银行，受理窗口办理业务的顾客 // A 顾客就是第一个顾客，此时手里窗口没有任何人，A可以直接去办理 new Thread(() -> { lock.lock(); try { System.out.println("A线程 进入"); // 办理20分钟 TimeUnit.MINUTES.sleep(20); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } }, "A").start(); // B顾客，由于窗口只有一个（只能一个线程持有锁），B只能等待，进入候客区 new Thread(() -> { lock.lock(); try { System.out.println("B线程 进入"); } finally { lock.unlock(); } }, "B").start(); // C顾客，进入候客区（当A办理完成后，会与B去抢） new Thread(() -> { lock.lock(); try { System.out.println("C线程 进入"); } finally { lock.unlock(); } }, "C").start(); }

整个ReentrantLock的加锁过程，可以分为三个阶段：

1. 尝试加锁
2. 加锁失败，线程进入AQS队列
3. 线程进入队列后，进入阻塞状态

lock()上锁

调用的是 sync 类的 lock() 方法。

如果是FairSync：

final void lock() { acquire(1); }

如果是NonfairSync：

/* 底层是unsafe类，尝试用CAS获得锁，成功后设置这个线程拥有访问权限。否则调用acquire */ final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); }

/* unsafe类的方法，传入(0,1)，如果这个对象的内存偏移量的位置，expect如果为 0，就为改为 1 */ protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } //CAS修改成功后，通过AbstractOwnableSynchronizer类的setExclusiveOwnerThread方法，把exclusiveOwnerThread线程设为当前线程。

当第一个顾客发现没人窗口没人后，开始办理业务。state变为1，占用顾客的线程是 currentThread。

第一个客户已经占用了窗口，没那么快完成。第二个客户也调用lock()方法，发现窗口被占用，只能去排队：

public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } //里面的addWaiter方法、tryAcquire方法、acquireQueue方法都是重点

• AQS的tryAcquire方法

我们进入tryAcquire方法发现没有逻辑代码，直接抛出异常。这就是典型的 模板方法设计模式 。意思是所有子类必须实现这个方法，不实现父类就抛出异常。

protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }

然后发现 ReentrantLock 的 内部类NofairSync 重写了这个方法：

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

这个方法其实调用的是内部类 Sync 的 nonfairTryAcquire 方法。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); //需要排队的第二位顾客 int c = getState(); // 获取当前窗口的状态state（0空闲，1占用） //如果运气非常的好，窗口恰巧空闲了，就CAS改变状态，把窗口的线程设为自己。 if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //如果当前线程 等于 正在办理业务的线程 （说明获得了多次锁，是可重入锁的理论） else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; // nextc为当前状态加 1 if (nextc < 0) // overflow（溢出） throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); // 设置状态变量 state return true; } return false; }

我们传入的第二位顾客再次发现，有人在办理业务，返回 false 。

在acquire方法中 !tryAcquire(arg) 取反为 true ，继续判断下面的方法。

• AQS的addWaiter方法

acquire传入的是 Node.EXCLUSIVE 参数（结点的模式）；结点进入队列。

private Node addWaiter(Node mode) { //构造Node结点（当前线程，模式） Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 获取Node的尾结点，如果为null，说明队列没有结点。 Node pred = tail; // 当第三个顾客进入的时候，等候区已经有结点了，执行这个代码块。和enq方法相似，尾插法。 if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //如果队列没有结点，调用enq方法准备进入队列 enq(node); return node; }

enq 方法（将节点插入队列）：

private Node enq(final Node node) { //相当于自旋 for (;;) { Node t = tail; // t 是尾指针 //如果尾指针为null，说明队列无结点，进行初始化 if (t == null) { /* 第一个结点并不是我们传入的结点，而是系统new了一个结点作为占位符。 这个结点Thread=null，waitStatus=0，是傀儡结点又称哨兵结点，用于占位。 */ if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; //队列有结点后，继续循环，进入下面这个代码块（尾插法，结点的尾、前、后结点都设置好） } else { //传入结点的前一个指针指向尾结点 node.prev = t; //尾指针 指向 传入的节点 if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; // 尾结点的下一个节点是 传入的节点 return t; // 返回新插入的尾结点 } } } }

• AQS的acquireQueued方法

传入的参数是 (addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; //自旋 for (;;) { final Node p = node.predecessor(); //传入结点的上一个结点 // 如果前结点 == 哨兵结点 && 再看窗口能否抢占，失败就false。 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 头结点指向当前节点，节点Thread=null，prev=null，即当前节点变成了新的哨兵结点 setHead(node); // 原哨兵结点的next=null，没有连接了，会被GC回收 p.next = null; failed = false; return interrupted; } //抢占失败后是否park阻塞 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; /* 这时自旋锁，抢占又失败后，继续进入shouldParkAfterFailedAcquire方法， 因为第一次循环已经将前结点的waitStatus的值改为-1，所以返回true。 然后进入parkAndCheckInterrupt方法。 */ /* 锁被释放，其他线程被唤醒后！parkAndCheckInterrupt()返回false，继续自旋！ B线程的前结点就是哨兵结点，执行tryAcquire方法，因为A线程走了，所以成功抢占！返回true */ } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }

shouldParkAfterFailedAcquire 方法：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; //查看前结点的waitStatus状态 //SIGNAL值固定为-1 //如果是SIGNAL状态，即等待中，直接返回true。 if (ws == Node.SIGNAL) return true; //waitStatus 大于0说明是 CANCELLED 状态 if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { //把前结点的waitStatus值改为 -1，用于后续唤醒操作 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }

parkAndCheckInterrupt 方法：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() { //阻塞这个线程！这时可以认为已经坐在等待区了。 LockSupport.park(this); //线程被唤醒后，不被阻塞，这里就返回false return Thread.interrupted(); }

此时这个acquireQueued方法还没有结束，会被卡在 parkAndCheckInterrupt 方法内部，如果这个线程被unpark了。就会继续执行acquireQueued方法的代码。

unlock释放锁

调用的是 sync 类的 lock() 方法。

public void unlock() { sync.release(1); }

调用AQS的 release 方法，arg=1.

public final boolean release(int arg) { //释放一把锁后，返回true if (tryRelease(arg)) { // 头结点就是哨兵结点 Node h = head; // 哨兵的waitStatus为-1，符合条件进入 if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); // return true; } return false; }

tryRelease 方法，也是一个模板方法，ReentrantLock类的Sync重写了这个方法。

protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }

protected final boolean tryRelease(int releases) { //如果当前State为1，减去1后为0 int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { free = true; //c=0，说明可以解锁，free变为true setExclusiveOwnerThread(null); //设置当前窗口的占用线程为 null } setState(c); //把状态改为相应的值 return free; }

unparkSuccessor方法，释放锁！

private void unparkSuccessor(Node node) { // 传入的是哨兵结点，waitStatus为-1 int ws = node.waitStatus; // 又把哨兵结点的waitStatus改为0 if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // s是哨兵结点的下一个结点。 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; } // 如果哨兵结点的下一个结点存在，且waitStatus为0，释放锁！ if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }

此时线程被唤醒，前面acquireQueued里阻塞的 其他线程 就继续往下执行。

作者:为什么算法这么难

出处:https://segmentfault.com/a/48679