从源代码角度剖析Java Lock锁的AQS底层实现机制

2023-09-17 06:20:07

前言

在并发编程中，锁是用来解决多线程运行访问共享资源时的线程安全问题。Java中提供了多种锁机制，其中最常用的就是Lock锁。Lock锁提供了比synchronized更细粒度的锁控制，可以更加灵活地控制线程对共享资源的访问。

Lock锁的底层实现是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）抽象类。AQS是一个非常重要的类，它提供了锁的基本功能，并被广泛地用在Java并发库中。在本文中，我们将深入剖析AQS的源代码，详细解读其核心实现细节。通过本文，读者将对Java Lock锁的底层机制有更深刻的理解，并能够更好地利用它来解决并发编程中的各种问题。

AQS的基本原理

AQS是一个抽象类，它提供了锁的基本功能，包括获取锁、释放锁、以及查询锁的状态等。AQS使用了一个叫做state的变量来存储锁的状态。state变量是一个int类型的变量，它的值可以是0、1、2或其他更大的值。

当state为0时，表示锁是未被锁定的。
当state为1时，表示锁已被一个线程锁定。
当state大于1时，表示锁已被多个线程锁定。

AQS还提供了一个叫做head和tail的两个指针，这两个指针指向一个队列。这个队列中存储着正在等待获取锁的线程。当一个线程试图获取锁时，如果锁已被其他线程锁定，那么这个线程就会被加入到队列中等待。

AQS的源代码解读

AQS的源代码位于java.util.concurrent.locks包中。AQS的源代码比较复杂，但其核心实现原理并不难理解。下面，我们将详细解读AQS的源代码，并重点介绍其核心实现细节。

1. state变量

state变量是一个int类型的变量，它的值可以是0、1、2或其他更大的值。state变量的值表示锁的状态。

private volatile int state;

2. head和tail指针

head和tail指针指向一个队列。这个队列中存储着正在等待获取锁的线程。

private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

3. 获取锁

当一个线程试图获取锁时，它会调用AQS的acquire方法。acquire方法首先会尝试使用CAS（Compare And Swap）操作将state变量从0改成1。如果CAS操作成功，则表示该线程成功获取到了锁。如果CAS操作失败，则表示锁已被其他线程锁定，那么该线程就会被加入到队列中等待。

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

4. 释放锁

当一个线程释放锁时，它会调用AQS的release方法。release方法会将state变量从1改回0。如果队列中还有其他线程在等待获取锁，那么release方法会唤醒这些线程。

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

5. 查询锁的状态

AQS提供了多种方法来查询锁的状态。这些方法可以用来判断锁是否已被锁定，以及有多少线程正在等待获取锁。

public final boolean isHeldExclusively() {
    return state == 1;
}

public final int getQueueLength() {
    int n = 0;
    for (Node p = tail; p != null; p = p.prev)
        if (p.waitStatus > 0 || p.prev == null)
            ++n;
    return n;
}