线程（六）之Lock和Synchronized

在java.util.concurrent.locks包中有很多Lock的实现类，常用的有ReentrantLock、ReadWriteLock（实现类ReentrantReadWriteLock），其实现都依赖java.util.concurrent.AbstractQueuedSynchronizer类，实现思路都大同小异，因此我们以ReentrantLock作为讲解切入点。

ReentrantLock的调用过程

ReentrantLock把所有Lock接口的操作都委派到一个Sync类上，该类继承了AbstractQueuedSynchronizer：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer

Sync又有两个子类：

final static class NonfairSync extends Sync 
final static class FairSync extends Sync

显然是为了支持公平锁和非公平锁而定义，默认情况下为非公平锁。

先理一下Reentrant.lock()方法的调用过程（默认非公平锁）：

锁实现（加锁）

简单说来，AbstractQueuedSynchronizer会把所有的请求线程构成一个CLH队列，当一个线程执行完毕（lock.unlock()）时会激活自己的后继节点，但正在执行的线程并不在队列中，而那些等待执行的线程全部处于阻塞状态，经过调查线程的显式阻塞是通过调用LockSupport.park()完成，而LockSupport.park()则调用sun.misc.Unsafe.park()本地方法，再进一步，HotSpot在Linux中中通过调用pthread_mutex_lock函数把线程交给系统内核进行阻塞。

CLH锁即Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks，CLH锁是一个自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。

CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。

与synchronized相同的是，这也是一个虚拟队列，不存在队列实例，仅存在节点之间的前后关系。令人疑惑的是为什么采用CLH队列呢？原生的CLH队列是用于自旋锁，但Doug Lea把其改造为阻塞锁。
当有线程竞争锁时，该线程会首先尝试获得锁，这对于那些已经在队列中排队的线程来说显得不公平，这也是非公平锁的由来，与synchronized实现类似，这样会极大提高吞吐量。
如果已经存在Running线程，则新的竞争线程会被追加到队尾，具体是采用基于CAS的Lock-Free算法，因为线程并发对Tail调用CAS可能会导致其他线程CAS失败，解决办法是循环CAS直至成功。

Sync.nonfairTryAcquire

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

该方法会首先判断当前状态，如果c==0说明没有线程正在竞争该锁，如果不c !=0 说明有线程正拥有了该锁。
如果发现c==0，则通过CAS设置该状态值为acquires,acquires的初始调用值为1，每次线程重入该锁都会+1，每次unlock都会-1，但为0时释放锁。如果CAS设置成功，则可以预计其他任何线程调用CAS都不会再成功，也就认为当前线程得到了该锁，也作为Running线程，很显然这个Running线程并未进入等待队列。
如果c !=0 但发现自己已经拥有锁，只是简单地++acquires，并修改status值，但因为没有竞争，所以通过setStatus修改，而非CAS

公平锁和非公平锁

tryAcquire 是一个抽象方法，是公平与非公平的实现原理所在。
addWaiter 是将当前线程结点加入等待队列之中。公平锁在锁释放后会严格按照等到队列去取后续值，而非公平锁在对于新晋线程有很大优势。
acquireQueued 在多次循环中尝试获取到锁或者将当前线程阻塞。
selfInterrupt 如果线程在阻塞期间发生了中断，调用 Thread.currentThread().interrupt() 中断当前线程。

公平锁和非公平锁在说的获取上都使用到了 volatile 关键字修饰的state字段，这是保证多线程环境下锁的获取与否的核心。

但是当并发情况下多个线程都读取到 state == 0时，则必须用到CAS技术，一门CPU的原子锁技术，可通过CPU对共享变量加锁的形式，实现数据变更的原子操作。
volatile 和 CAS的结合是并发抢占的关键。

非公平锁：非公平锁在实现的时候多次强调随机抢占,与公平锁的区别在于新晋获取锁的进程会有多次机会去抢占锁。如果被加入了等待队列后则跟公平锁没有区别。

    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);
        }
      //

tryAcquire 是一个抽象方法，是公平与非公平的实现原理所在。

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

公平锁：公平锁的实现机理在于每次有线程来抢占锁的时候，都会检查一遍有没有等待队列，如果有，当前线程会执行如下步骤：

其中hasQueuedPredecessors是用于检查是否有等待队列的。

if (!hasQueuedPredecessors() &&
    compareAndSetState(0, acquires)) {
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

 static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                //其中hasQueuedPredecessors是用于检查是否有等待队列的。
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

Lock和Synchronized 区别

1）synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性，Lock不是Java语言内置的，Lock是一个接口，通过实现类可以实现同步访问。

2）synchronized是在JVM层面上实现的，不但可以通过一些监控工具监控synchronized的锁定，而且在代码执行时出现异常，JVM会自动释放锁定，但是使用Lock则不行，lock是通过代码实现的，要保证锁定一定会被释放，就必须将unLock()放到finally{}中

3）在资源竞争不是很激烈的情况下，Synchronized的性能要优于ReetrantLock，但是在资源竞争很激烈的情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能能维持常态。

类别	synchronized	Lock
存在层次	Java的关键字，在jvm层面上	是一个类
锁的释放	1、以获取锁的线程执行完同步代码，释放锁 2、线程执行发生异常，jvm会让线程释放锁	在finally中必须释放锁，不然容易造成线程死锁
锁的获取	假设A线程获得锁，B线程等待。如果A线程阻塞，B线程会一直等待	分情况而定，Lock有多个锁获取的方式，具体下面会说道，大致就是可以尝试获得锁，线程可以不用一直等待
锁状态	无法判断	可以判断
锁类型	可重入不可中断非公平	可重入可判断可公平（两者皆可）
性能	少量同步	大量同步

线程的状态

BLOCKED状态

线程处于BLOCKED状态的场景。

当前线程在等待一个monitor lock，比如等待执行synchronized代码块或者使用synchronized标记的方法。
在synchronized块中循环调用Object类型的wait方法，如下是样例
synchronized(this)
{
while (flag)
{
obj.wait();
}
// some other code
}

WAITING状态

线程处于WAITING状态的场景。

调用Object对象的wait方法，但没有指定超时值。
调用Thread对象的join方法，但没有指定超时值。
调用LockSupport对象的park方法。

提到WAITING状态，顺便提一下TIMED_WAITING状态的场景。

TIMED_WAITING状态

线程处于TIMED_WAITING状态的场景。

调用Thread.sleep方法。
调用Object对象的wait方法，指定超时值。
调用Thread对象的join方法，指定超时值。
调用LockSupport对象的parkNanos方法。
调用LockSupport对象的parkUntil方法。

https://blog.csdn.net/bingjing12345/article/details/17789613

https://blog.csdn.net/Luxia_24/article/details/52403033