【JDK源码】同步系列手写Lock

简介

学习同步器之前，通过自己动手写一个锁，能更好地理解AQS及各种同步器实现的原理。

分析

自己动手写一个锁需要准备些什么呢？

synchronized说过它的实现原理是更改对象头中的MarkWord，标记为已加锁或未加锁。但是，我们自己是无法修改对象头信息的，那么我们可不可以用一个变量来代替呢？

比如，这个变量的值为1的时候就说明已加锁，变量值为0的时候就说明未加锁。其次，我们要保证多个线程对上面我们定义的变量的争用是可控的，所谓可控即同时只能有一个线程把它的值修改为1，且当它的值为1的时候其它线程不能再修改它的值，这种是不是就是典型的CAS操作，所以我们需要使用Unsafe这个类来做CAS操作。

然后，我们知道在多线程的环境下，多个线程对同一个锁的争用肯定只有一个能成功，那么，其它的线程就要排队，所以我们还需要一个队列。

最后，这些线程排队的时候干嘛呢？它们不能再继续执行自己的程序，那就只能阻塞了，阻塞完了当轮到这个线程的时候还要唤醒，所以我们还需要Unsfae这个类来阻塞（park）和唤醒（unpark）线程。

基于以上四点，我们需要的：一个变量、一个队列、执行CAS/park/unpark的Unsafe类。

大概的流程图如下图所示：

解决

一个变量

这个变量只支持同时只有一个线程能把它修改为1，所以它修改完了一定要让其它线程可见，因此，这个变量需要使用volatile来修饰。

private volatile int state;

CAS

这个变量的修改必须是原子操作，所以我们需要CAS更新它，我们这里使用Unsafe来直接CAS更新int类型的state。当然，这个变量如果直接使用AtomicInteger也是可以的

private boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

一个队列

队列的实现有很多，数组、链表都可以，我们这里采用链表，毕竟链表实现队列相对简单一些，不用考虑扩容等问题。

这个队列：放元素的时候都是放到尾部，且可能是多个线程一起放，所以对尾部的操作要CAS更新；唤醒一个元素的时候从头部开始，但同时只有一个线程在操作，即获得了锁的那个线程，所以对头部的操作不需要CAS去更新。

private static class Node {
    // 存储的元素为线程
    Thread thread;
    // 前一个节点（可以没有，但实现起来很困难）
    Node prev;
    // 后一个节点
    Node next;

    public Node() {
    }

    public Node(Thread thread, Node prev) {
        this.thread = thread;
        this.prev = prev;
    }
}
// 链表头
private volatile Node head;
// 链表尾
private volatile Node tail;
// 原子更新tail字段
private boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}

这个队列很简单，存储的元素是线程，需要有指向下一个待唤醒的节点，前一个节点可有可无，但是没有实现起来很困难

加锁

• park：将当前线程挂起。unpark：精准的唤醒某个线程。

• park的参数，表示挂起的到期时间，第一个如果是true，表示绝对时间，则var2为绝对时间值，单位是毫秒。第一个参数如果是false，表示相对时间，则var2为相对时间值，单位是纳秒。

• unpark的参数，表示线程。

简单示例：

park(false,0) // 表示永不到期，一直挂起，直至被唤醒
long time = System.currentTimeMillis()+3000;
park(true,time + 3000) // 表示3秒后自动唤醒
park(false,3000000000L) // 表示3秒后自动唤醒

加锁

public void lock() {
    // 尝试更新state字段，更新成功说明占有了锁
    if (compareAndSetState(0, 1)) {
        return;
    }
    // 未更新成功则入队
    Node node = enqueue();
    Node prev = node.prev;
    // 再次尝试获取锁，需要检测上一个节点是不是head，按入队顺序加锁
    while (node.prev != head || !compareAndSetState(0, 1)) {
        // 未获取到锁，阻塞
        unsafe.park(false, 0L);
    }
    // 下面不需要原子更新，因为同时只有一个线程访问到这里
    // 获取到锁了且上一个节点是head
    // head后移一位
    head = node;
    // 清空当前节点的内容，协助GC
    node.thread = null;
    // 将上一个节点从链表中剔除，协助GC
    node.prev = null;
    prev.next = null;
}
// 入队
private Node enqueue() {
    while (true) {
        // 获取尾节点
        Node t = tail;
        // 构造新节点
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), t);
        // 不断尝试原子更新尾节点
        if (compareAndSetTail(t, node)) {
            // 更新尾节点成功了，让原尾节点的next指针指向当前节点
            t.next = node;
            return node;
        }
    }
}

（1）尝试获取锁，成功了就直接返回；

（2）未获取到锁，就进入队列排队；

（3）入队之后，再次尝试获取锁(但是必须是头结点的后一个结点)；

（4）如果不成功，就阻塞；

（5）如果成功了，就把头节点后移一位，并清空当前节点的内容，且与上一个节点断绝关系；

（6）加锁结束；

解锁

// 解锁
public void unlock() {
    // 把state更新成0，这里不需要原子更新，因为同时只有一个线程访问到这里
    state = 0;
    // 下一个待唤醒的节点
    Node next = head.next;
    // 下一个节点不为空，就唤醒它
    if (next != null) 
        unsafe.unpark(next.thread);
    }
}

（1）把state改成0，这里不需要CAS更新，因为现在还在加锁中，只有一个线程去更新，在这句之后就释放了锁；

（2）如果有下一个节点就唤醒它；

（3）唤醒之后就会接着走上面lock()方法的while循环再去尝试获取锁；

（4）唤醒的线程不是百分之百能获取到锁的，因为这里state更新成0的时候就解锁了，之后可能就有线程去尝试加锁了。

测试

static int count = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    MyLock lock = new MyLock();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                for (int i1 = 0; i1 < 100000; i1++) {
                    count++;
                }
                lock.unlock();

            }
        }).start();
    }
    Thread.sleep(3000);
    System.out.println(count);
}

运行这段代码的结果是总是打印出10000000（一千万），说明我们的锁很nice

总代码

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class Demo16 {
    static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyLock lock = new MyLock();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    lock.lock();
                    for (int i1 = 0; i1 < 10000; i1++) {
                        count++;
                    }
                    lock.unlock();

                }
            }).start();
        }
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(count);
    }
}

// 链表结点
class Node {
    public Thread thread;
    public Node prev;    // 前结点
    public Node next;    // 后结点

    public Node(){}
    public Node(Thread thread){
        this.thread = thread;
    }
}
class MyLock{
    // o表示没有锁
    private  volatile Node head; // 头结点
    private  volatile Node tail; // 尾结点
    private static  long tailOffset ; // 尾结点偏移量
    private  volatile int state = 0; // 可见的锁标志
    private static long stateOffset ; // 锁标志的偏移量
    private static Unsafe unsafe = null;

    // 初始化头尾结点
    public MyLock(){
        head=tail=new Node();
    }

    static {
        Field theUnsafe = null;
        try {
            theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe= (Unsafe)theUnsafe.get(null);
            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(MyLock.class.getDeclaredField("state"));
            tailOffset = unsafe.objectFieldOffset(MyLock.class.getDeclaredField("tail"));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 入队操作
    public Node push(Node node){
        while (true){
            Node t = tail;
            node.prev = t;
            // 更新尾结点
            if (compareAndSwapTail(t,node)){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"入队成功");
                // 更新成功 就把原来的尾结点指向node，因为此时的t还没有被刷新所以还是原来的tail
                t.next = node;
                return node;
            }
        }
    }
    // 调用Unsafe的cas操作
    public boolean compareAndSwapTail(Node except,Node update){
        return unsafe.compareAndSwapObject(this,tailOffset,except,update);
    }
    public  boolean compareAndSwapState(int except,int update){
        return unsafe.compareAndSwapInt(this,stateOffset,except,update);
    }
    // 上锁
    public  void lock(){
        if (!compareAndSwapState(0,1)){
            // 也就是有线程已经获取到锁了
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取锁失败~");
            // 入队
            Node node = push(new Node(Thread.currentThread()));
            // node的前结点不是头结点，或者获取锁失败 都会被阻塞 所以最开的时候就算是头结点一会被阻塞，知道第一个锁的线程释放后就继续while判断
            while(node.prev != head  || !compareAndSwapState(0,1)) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"阻塞~~");
                // 未获取到锁，阻塞 并且是一直阻塞
                unsafe.park(false, 0L);
            }
            // 到这里说明node的前面是head结点 并且获取锁成功了
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"再次获取锁成功~~");
            // 相当于把头结点往后移
            head = node;
            // 因为head是空结点
            // 清空当前节点的内容，协助GC
            node.thread = null;
            // 将上一个节点从链表中剔除，协助GC
            node.prev = null;
            node.prev.next = null;

        }else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取锁成功~");
        }
    }
    public void unlock() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放锁");
        // 把state更新成0，这里不需要原子更新，因为同时只有一个线程访问到这里
        state = 0;
        // 下一个待唤醒的节点
        Node next = head.next;
        // 下一个节点不为空，就唤醒它
        if (next != null) {
            unsafe.unpark(next.thread);
            System.out.println(next.thread.getName()+"被唤醒");
        }
    }
}

总结

（1）自己动手写一个锁需要做准备：一个变量、一个队列、Unsafe类。

（2）原子更新变量为1说明获得锁成功；

（3）原子更新变量为1失败说明获得锁失败，进入队列排队；

（4）更新队列尾节点的时候是多线程竞争的，所以要使用原子更新；

（5）更新队列头节点的时候只有一个线程，不存在竞争，所以不需要使用原子更新；

问题

（1）我们实现的锁支持可重入吗？

答：不可重入，因为我们每次只把state更新为1。如果要支持可重入也很简单，获取锁时检测锁是不是被当前线程占有着(AQS中的setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread())设置此线程为独占线程就是为了重入时检测)，如果是就把state的值加1，释放锁时每次减1即可，减为0时表示锁已释放。

（2）我们实现的锁是公平锁还是非公平锁？

答：非公平锁，因为获取锁的时候我们先尝试了一次，这里并不是严格的排队，所以是非公平锁。想要公平锁也很简单，只需要在加锁前判断队列中是否有线程在排队