java同步之如何寫一個鎖Lock

問題

（1）自己動手寫一個鎖需要哪些知識？

（2）自己動手寫一個鎖到底有多簡單？

（3）自己能不能寫出來一個完美的鎖？

簡介

本篇文章的目標一是自己動手寫一個鎖，這個鎖的功能很簡單，能進行正常的加鎖、解鎖操作。

本篇文章的目標二是通過自己動手寫一個鎖，能更好地理解后面章節(jié)將要學習的AQS及各種同步器實現(xiàn)的原理。

分析

自己動手寫一個鎖需要準備些什么呢？

首先，在上一章學習synchronized的時候我們說過它的實現(xiàn)原理是更改對象頭中的MarkWord，標記為已加鎖或未加鎖。

但是，我們自己是無法修改對象頭信息的，那么我們可不可以用一個變量來代替呢？

比如，這個變量的值為1的時候就說明已加鎖，變量值為0的時候就說明未加鎖，我覺得可行。

其次，我們要保證多個線程對上面我們定義的變量的爭用是可控的，所謂可控即同時只能有一個線程把它的值修改為1，且當它的值為1的時候其它線程不能再修改它的值，這種是不是就是典型的CAS操作，所以我們需要使用Unsafe這個類來做CAS操作。

然后，我們知道在多線程的環(huán)境下，多個線程對同一個鎖的爭用肯定只有一個能成功，那么，其它的線程就要排隊，所以我們還需要一個隊列。

最后，這些線程排隊的時候干嘛呢？它們不能再繼續(xù)執(zhí)行自己的程序，那就只能阻塞了，阻塞完了當輪到這個線程的時候還要喚醒，所以我們還需要Unsfae這個類來阻塞（park）和喚醒（unpark）線程。

基于以上四點，我們需要的神器大致有：一個變量、一個隊列、執(zhí)行CAS/park/unpark的Unsafe類。

大概的流程圖如下圖所示：

關于Unsafe類的相關講解請參考之前發(fā)的文章：

java Unsafe詳細解析

解決

一個變量

這個變量只支持同時只有一個線程能把它修改為1，所以它修改完了一定要讓其它線程可見，因此，這個變量需要使用volatile來修飾。

private volatile int state;

CAS

這個變量的修改必須是原子操作，所以我們需要CAS更新它，我們這里使用Unsafe來直接CAS更新int類型的state。

當然，這個變量如果直接使用AtomicInteger也是可以的，不過，既然我們學習了更底層的Unsafe類那就應該用（浪）起來。

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

一個隊列

隊列的實現(xiàn)有很多，數(shù)組、鏈表都可以，我們這里采用鏈表，畢竟鏈表實現(xiàn)隊列相對簡單一些，不用考慮擴容等問題。

這個隊列的操作很有特點：

放元素的時候都是放到尾部，且可能是多個線程一起放，所以對尾部的操作要CAS更新；

喚醒一個元素的時候從頭部開始，但同時只有一個線程在操作，即獲得了鎖的那個線程，所以對頭部的操作不需要CAS去更新。

private static class Node {
 // 存儲的元素為線程
 Thread thread;
 // 前一個節(jié)點（可以沒有，但實現(xiàn)起來很困難）
 Node prev;
 // 后一個節(jié)點
 Node next;

 public Node() {
 }

 public Node(Thread thread, Node prev) {
 this.thread = thread;
 this.prev = prev;
 }
}
// 鏈表頭
private volatile Node head;
// 鏈表尾
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);
}

這個隊列很簡單，存儲的元素是線程，需要有指向下一個待喚醒的節(jié)點，前一個節(jié)點可有可無，但是沒有實現(xiàn)起來很困難，不信學完這篇文章你試試。

加鎖

public void lock() {
 // 嘗試更新state字段，更新成功說明占有了鎖
 if (compareAndSetState(0, 1)) {
 return;
 }
 // 未更新成功則入隊
 Node node = enqueue();
 Node prev = node.prev;
 // 再次嘗試獲取鎖，需要檢測上一個節(jié)點是不是head，按入隊順序加鎖
 while (node.prev != head || !compareAndSetState(0, 1)) {
 // 未獲取到鎖，阻塞
 unsafe.park(false, 0L);
 }
 // 下面不需要原子更新，因為同時只有一個線程訪問到這里
 // 獲取到鎖了且上一個節(jié)點是head
 // head后移一位
 head = node;
 // 清空當前節(jié)點的內容，協(xié)助GC
 node.thread = null;
 // 將上一個節(jié)點從鏈表中剔除，協(xié)助GC
 node.prev = null;
 prev.next = null;
}
// 入隊
private Node enqueue() {
 while (true) {
 // 獲取尾節(jié)點
 Node t = tail;
 // 構造新節(jié)點
 Node node = new Node(Thread.currentThread(), t);
 // 不斷嘗試原子更新尾節(jié)點
 if (compareAndSetTail(t, node)) {
 // 更新尾節(jié)點成功了，讓原尾節(jié)點的next指針指向當前節(jié)點
 t.next = node;
 return node;
 }
 }
}

（1）嘗試獲取鎖，成功了就直接返回；

（2）未獲取到鎖，就進入隊列排隊；

（3）入隊之后，再次嘗試獲取鎖；

（4）如果不成功，就阻塞；

（5）如果成功了，就把頭節(jié)點后移一位，并清空當前節(jié)點的內容，且與上一個節(jié)點斷絕關系；

（6）加鎖結束；

解鎖

// 解鎖
public void unlock() {
 // 把state更新成0，這里不需要原子更新，因為同時只有一個線程訪問到這里
 state = 0;
 // 下一個待喚醒的節(jié)點
 Node next = head.next;
 // 下一個節(jié)點不為空，就喚醒它
 if (next != null) {
 unsafe.unpark(next.thread);
 }
}

（1）把state改成0，這里不需要CAS更新，因為現(xiàn)在還在加鎖中，只有一個線程去更新，在這句之后就釋放了鎖；

（2）如果有下一個節(jié)點就喚醒它；

（3）喚醒之后就會接著走上面lock()方法的while循環(huán)再去嘗試獲取鎖；

（4）喚醒的線程不是百分之百能獲取到鎖的，因為這里state更新成0的時候就解鎖了，之后可能就有線程去嘗試加鎖了。

測試

上面完整的鎖的實現(xiàn)就完了，是不是很簡單，但是它是不是真的可靠呢，敢不敢來試試？！

直接上測試代碼：

private static int count = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 MyLock lock = new MyLock();

 CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);

 IntStream.range(0, 1000).forEach(i -> new Thread(() -> {
 lock.lock();

 try {
 IntStream.range(0, 10000).forEach(j -> {
 count++;
 });
 } finally {
 lock.unlock();
 }
// System.out.println(Thread.currentThread().getName());
 countDownLatch.countDown();
 }, "tt-" + i).start());

 countDownLatch.await();

 System.out.println(count);
}

運行這段代碼的結果是總是打印出10000000（一千萬），說明我們的鎖是正確的、可靠的、完美的。

總結

（1）自己動手寫一個鎖需要做準備：一個變量、一個隊列、Unsafe類。

（2）原子更新變量為1說明獲得鎖成功；

（3）原子更新變量為1失敗說明獲得鎖失敗，進入隊列排隊；

（4）更新隊列尾節(jié)點的時候是多線程競爭的，所以要使用原子更新；

（5）更新隊列頭節(jié)點的時候只有一個線程，不存在競爭，所以不需要使用原子更新；

（6）隊列節(jié)點中的前一個節(jié)點prev的使用很巧妙，沒有它將很難實現(xiàn)一個鎖，只有寫過的人才明白，不信你試試^^

彩蛋

（1）我們實現(xiàn)的鎖支持可重入嗎？

答：不可重入，因為我們每次只把state更新為1。如果要支持可重入也很簡單，獲取鎖時檢測鎖是不是被當前線程占有著，如果是就把state的值加1，釋放鎖時每次減1即可，減為0時表示鎖已釋放。

（2）我們實現(xiàn)的鎖是公平鎖還是非公平鎖？

答：非公平鎖，因為獲取鎖的時候我們先嘗試了一次，這里并不是嚴格的排隊，所以是非公平鎖。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。