摘要：當(dāng)前線程在超時(shí)時(shí)間內(nèi)被中斷超時(shí)時(shí)間結(jié)束，返回釋放鎖獲取等待通知組件，該組件和當(dāng)前的鎖綁定，當(dāng)前線程只有獲取了鎖，才能調(diào)用該組件的方法，調(diào)用后，當(dāng)前線程將釋放鎖。同步器是實(shí)現(xiàn)鎖的關(guān)鍵，在鎖的實(shí)現(xiàn)中聚合同步器，利用同步器實(shí)現(xiàn)鎖的語義。

本文在參考java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)后完成，參考內(nèi)容較多

鎖是用來控制多線程訪問共享資源的方式，一個(gè)鎖能夠防止多個(gè)線程同事訪問共享資源。在Lock接口出現(xiàn)之前，Java程序是通過synchronized來實(shí)現(xiàn)鎖功能的，在JDK1.5之后，新增的Lock接口可以實(shí)現(xiàn)鎖功能，他的功能與Synchronized類似，但是需要顯式的獲取和釋放鎖，他失去了隱式獲取釋放鎖的便捷性，但是可操作性更強(qiáng)，同時(shí)具有可中斷獲取鎖以及超時(shí)獲取鎖的特性。

Lock接口

Lock接口提供了幾個(gè)synchronized不具備的主要特性：

嘗試非阻塞的獲取鎖

能被中斷的獲取鎖

超時(shí)獲取鎖

Lock是一個(gè)接口,定義如下：

package java.util.concurrent.locks;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @see ReentrantLock
 * @see Condition
 * @see ReadWriteLock
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public interface Lock {

    /**
     * 線程獲取鎖，如果獲取鎖失敗，線程無法向下執(zhí)行
     */
    void lock();

    /**
     * 可中端的獲取鎖，和lock()相比這個(gè)方法可以響應(yīng)中斷，就是在獲取鎖的過程中可以中斷當(dāng)前線程
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    /**
     * 嘗試非阻塞的獲取鎖，調(diào)用該方法后立刻返回，獲取鎖成功返回true,否則返回false
     */
    boolean tryLock();

    /**
     * 超時(shí)的獲取鎖，在發(fā)生下面的情況下會返回:
     * 1、在超時(shí)時(shí)間范圍內(nèi)獲取鎖成功立刻返回。2、當(dāng)前線程在超時(shí)時(shí)間內(nèi)被中斷 3、超時(shí)時(shí)間結(jié)束，返回false
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 釋放鎖
     */
    void unlock();

    /**
     * 獲取等待通知組件，該組件和當(dāng)前的鎖綁定，當(dāng)前線程只有獲取了鎖，才能調(diào)用該組件的wait方法，調(diào)用后，當(dāng)前線程將釋放鎖。
     */
    Condition newCondition();
}

隊(duì)列同步器

隊(duì)列同步器AbstractQueuedSynchronizer,是構(gòu)建鎖或者其他同步組件的基礎(chǔ)框架，他使用int成員變量表示同步狀態(tài)(這個(gè)同步狀態(tài)在不同的同步組件中表示的含義會有差異)，通過內(nèi)置的FIFO隊(duì)列完成線程獲取資源的排隊(duì)工作。

同步器使用的主要方式是通過繼承并實(shí)現(xiàn)它定義的抽象方法來管理同步狀態(tài)。隊(duì)列同步器提供了操作同步狀態(tài)的方法，可以保證狀態(tài)的修改是線程安全的，同步器支持獨(dú)占的獲取同步狀態(tài)，也支持共享式的獲取。

同步器是實(shí)現(xiàn)鎖的關(guān)鍵，在鎖的實(shí)現(xiàn)中聚合同步器，利用同步器實(shí)現(xiàn)鎖的語義。鎖是面向使用這的，他定義了使用者與鎖交互的接口，隱藏了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)；同步器面向的是鎖的實(shí)現(xiàn)者，他簡化了鎖的實(shí)現(xiàn)方式，屏蔽了同步狀態(tài)管理、線程排隊(duì)，等待喚醒等底層操作。

AbstractQueuedSynchronizer的定義：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable

//同步器提供的修改活訪問狀態(tài)的方法

//獲取當(dāng)前同步狀態(tài)
protected final int getState() {
    return state;
}
//設(shè)置當(dāng)前同步狀態(tài)
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}
//使用CAS設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)，可以保證設(shè)置狀態(tài)的原子性
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

同步器的設(shè)計(jì)是基于模版方法模式的，使用者需要繼承同步器并重寫指定的方法，隨后將同步器組合在自定的同步組件實(shí)現(xiàn)中，并調(diào)用同步器提供的模版方法，而這些模版方法將會調(diào)用使用者重寫的方法

ReentrantLock

ReentrantLock是Java中提供的另一種鎖的實(shí)現(xiàn).他通過調(diào)用lock()方法獲取鎖；調(diào)用unlock()方法釋放鎖。
ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)依賴于Java同步框架AbstractQueuedSynchronizer,AQS使用一個(gè)整形的volatile變量（命名為state）來維護(hù)同步狀態(tài),volatile變量是ReentrantLock內(nèi)存語義實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

ReentrantLock分為公平鎖和非公平鎖。

公平鎖：每個(gè)線程搶占鎖的順序?yàn)橄群笳{(diào)用lock方法的順序依次獲取鎖

每個(gè)線程搶占鎖的順序不定，誰運(yùn)氣好，誰就獲取到鎖，和調(diào)用lock方法的先后順序無關(guān)。

ReentrantLock的類圖如下：

ReentrantLock實(shí)現(xiàn)了Lock接口，內(nèi)部有三個(gè)內(nèi)部類，Sync、NonfairSync、FairSync，Sync是一個(gè)抽象類型，它繼承AbstractQueuedSynchronizer，這個(gè)AbstractQueuedSynchronizer是一個(gè)模板類，它實(shí)現(xiàn)了許多和鎖相關(guān)的功能，并提供了鉤子方法供用戶實(shí)現(xiàn)，比如tryAcquire，tryRelease等。Sync實(shí)現(xiàn)了AbstractQueuedSynchronizer的tryRelease方法。NonfairSync和FairSync兩個(gè)類繼承自Sync，實(shí)現(xiàn)了lock方法，然后分別公平搶占和非公平搶占針對tryAcquire有不同的實(shí)現(xiàn)。

首先分析公平鎖：
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);公平鎖聲明，如果不為true，或者使用默認(rèn)，那么是非公平鎖。
加鎖lock()方法的調(diào)用軌跡如下:

ReentrantLock.lock()

sync.lock() [ReentrantLock.FairSync.lock()]

AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg) [arg = 1]

ReentrantLock.FairSync.tryAcquire(int acquires);

第4步是加鎖的關(guān)鍵步驟：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //獲取當(dāng)前嘗試獲取鎖的線程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //獲取AQS中的volatile變量state
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //判斷隊(duì)列之前是否有其他的線程在等待
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            //設(shè)置鎖的持有者為當(dāng)前線程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //如果當(dāng)前線程已經(jīng)獲取了鎖，那么進(jìn)行鎖重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

CAS + volatile 構(gòu)成了AQS以及原子變量類。
JDK文檔對CAS的說明：如果當(dāng)前狀態(tài)值與預(yù)期值相等，則以原子的方式講同步狀態(tài)設(shè)置為給定的更新值，此操作具有volatile讀和寫的內(nèi)存語義。這意味著編譯器不能對CAS與CAS前面和后面的任意內(nèi)存操作重排序。CAS操作對應(yīng)的本地方法最終對應(yīng)的處理器源代碼回有一個(gè)Atomic::cmpxchg指令。程序回根據(jù)當(dāng)前處理器的類型來決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。如果是多處理器上運(yùn)行，那么添加Lock前綴，如果是單處理器那么就會省略。lock前綴會確保內(nèi)存的讀寫改操作原子執(zhí)行。（但處理器自身會維護(hù)）

【補(bǔ)充volatile的內(nèi)存語義：1、在程序中，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作為普通變量的讀或?qū)憰r(shí)，如果第二個(gè)操作為volatile寫，則編譯器不能重拍下這兩個(gè)操作 2、當(dāng)?shù)诙€(gè)操作為volatile寫時(shí)，不管第一個(gè)操作是什么，都不能重排序。這個(gè)規(guī)則確保volatile寫之前的操作不會被編譯器重排序到volatile寫之后  3、當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile讀時(shí)，不管第二個(gè)操作是什么，都不能重排序，這個(gè)規(guī)則確保volatile讀之后的操作不會被編譯器重排序到volatile讀之前  4、當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile寫，第二個(gè)操作是volatile讀時(shí)，不能重排序】

讀寫鎖

ReentrantLock是支持可重入的排他鎖，這些鎖在同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程進(jìn)行訪問，而讀寫鎖在同一時(shí)刻可以允許多個(gè)讀線程訪問，但是在寫線程訪問時(shí)，所有和讀線程和其他的寫線程均被阻塞。讀寫鎖維護(hù)了兩個(gè)鎖，一個(gè)讀鎖，一個(gè)寫鎖，通過讀寫鎖，可以提高兵法性能。

Java中提供的讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)是ReentrantReadWriteLock,提供的特性如下:

公平性選擇，支持公平和非公平的鎖獲取方式

重進(jìn)入

鎖降級 遵循獲取寫鎖，獲取讀鎖再釋放寫鎖的次序，寫鎖能夠降級成讀鎖。