摘要：有了這個基礎，才能發揮作用，使得在節點取消和異常時能夠保證隊列在多線程下的完整性。

Doug Lea是JDK中concurrent工具包的作者，這位大神是誰可以自行google。

本文淺析ReentrantLock（可重入鎖）的原理

Lock接口定義了這幾個方法：

lock()
用來獲取鎖，如果鎖已經被其他線程占有，則進行等待，直到搶占到鎖；該方法在發送異常時不會自動釋放鎖，所以在使用時需要在finall塊中釋放鎖；

tryLock()和tryLock(long time, TimeUnit unit)
嘗試獲得鎖，如果鎖已經被其他線程占有，返回false，成功獲取鎖返回true；該方法不會等待，立即返回；而帶有參數的tryLock在等待時長內拿到鎖返回true，超時或者沒拿到鎖返回false；帶參數的方法還支持響應中斷；

lockInterruptibly()
支持中斷的lock()；

unlock()
釋放鎖；

newCondition()
新建Condition，Condition以后會分析；

ReentrantLock實現了Lock接口，ReentrantLock中有一個重要的成員變量，同步器sync繼承了AbstractQueuedSynchronizer簡稱AQS，我們先介紹AQS；

AQS用一個隊列（結構是一個FIFO隊列）來管理同步狀態，當線程獲取同步狀態失敗時，會將當前線程包裝成一個Node放入隊列，當前線程進入阻塞狀態；當同步狀態釋放時，會從隊列去出線程獲取同步狀態。

AQS里定義了head、tail、state，他們都是volatile修飾的，head指向隊列的第一個元素，tail指向隊列的最后一個元素，state表示了同步狀態，這個狀態非常重要，在ReentrantLock中，state為0的時候代表鎖被釋放，state為1時代表鎖已經被占用；

看下面代碼：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;
private static final long headOffset;
private static final long tailOffset;
private static final long waitStatusOffset;
private static final long nextOffset;

static {
    try {
        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
        headOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
        tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
        waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
        nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("next"));

    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

這一段靜態初始化代碼初始了state、head、tail等變量的在內存中的偏移量；Unsafe類是sun.misc下的類，不屬于java標準。Unsafe讓java可以像C語言一樣操作內存指針，其中就提供了CAS的一些原子操作和park、unpark對線程掛起與恢復的操作；關于CAS是concurrent工具包的基礎，以后會多帶帶介紹，其主要作用就是在硬件級別提供了compareAndSwap的功能，從而實現了比較和交換的原子性操作。

AQS還有一個內部類叫Node，它將線程封裝，利用prev和next可以將Node串連成雙向鏈表，這就是一開始說的FIFO的結構；

ReentrantLock提供了公平鎖和非公平鎖，我們這里從非公平鎖分析AQS的應用；
Lock調用lock()方法時調用了AQS的lock()方法，我們來看這個非公平鎖NonfairSync的lock方法：

final void lock() {
    //首先調用CAS搶占同步狀態state，如果成功則將當前線程設置為同步器的獨占線程，
    //這也是非公平的體現，因為新來的線程沒有馬上加入隊列尾部，而是先嘗試搶占同步狀態。
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        //搶占同步狀態失敗，調用AQS的acquire
        acquire(1);
}

瞄一眼acquire方法：

public final void acquire(int arg) {
    //在這里還是先試著搶占一下同步狀態
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

tryAcquire調用的是NonfairSync的實現，然后又調用了Sync的nonfairTryAcquire方法：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //和之前一樣，利用CAS搶占同步狀態，成功則設置當前線程為獨占線程并且返回true
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //如果當前線程已經是獨占線程，即當前線程已經獲得了同步狀態則將同步狀態state加1，
    //這里是可重入鎖的體現
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    //沒有搶占到同步狀態返回false
    return false;
}

再看addWaiter方法：

private Node addWaiter(Node mode) {
    //新建一個Node，封裝了當前線程和模式，這里傳入的是獨占模式Node.EXCLUSIVE
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    //如果tail不為空就不需要初始化node隊列了
    if (pred != null) {
        //將node作為隊列最后一個元素入列
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            //返回新建的node
            return node;
        }
    }
    //如果tail為空則表示node隊列還沒有初始化，此時初始化隊列
    enq(node);
    return node;
}

瞄一眼enq方法：

private Node enq(final Node node) {
    //無限loop直到CAS成功，其他地方也大量使用了無限loop
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            //隊列尾部為空，必須初始化，head初始化為一個空node，不包含線程，tail = head
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            //隊列已經初始化，將當前node加在列尾
            node.prev = t;
            //將當前node設置為tail，CAS操作，enqueue安全
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

拿到新建的node后傳給acquireQueued方法：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        //標記是否中斷狀態
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //拿到當前node的前驅
            final Node p = node.predecessor();
            //如果前驅正好為head，即當前線程在列首，馬上tryAcquire搶占同步狀態
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //搶占成功后，將當前節點的thread、prev清空作為head
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC 原來的head等待GC回收
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //沒有搶占成功后，判斷是否要park
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

瞄一眼shouldParkAfterFailedAcquire方法：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        //如果前驅node的狀態為SIGNAL，說明當前node可以park
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        //如果前驅的狀態大于0說明前驅node的thread已經被取消
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            //從前驅node開始，將取消的node移出隊列
            //當前節點之前的節點不會變化，所以這里可以更新prev，而且不必用CAS來更新。
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        //前驅node狀態等于0或者為PROPAGATE（以后會介紹）
        //將前驅node狀態設置為SIGNAL，返回false，表示當前node暫不需要park，
        //可以再嘗試一下搶占同步狀態
        /*
         * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
         * need a signal, but don"t park yet.  Caller will need to
         * retry to make sure it cannot acquire before parking.
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

看一下parkAndCheckInterrupt方法：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    //阻塞當前線程
    LockSupport.park(this);
    //返回當前線程是否設置中斷標志，并清空中斷標志
    return Thread.interrupted();
}

這里解釋一下為什么要保存一下中斷標志：中斷會喚醒被park的阻塞線程，但被park的阻塞線程不會響應中斷，所以這里保存一下中斷狀態并返回，如果狀態為true說明發生過中斷，會補發一次中斷，即調用interrupt()方法

在acquireQueued中發生異常時執行cancelAcquire：

private void cancelAcquire(Node node) {
    // Ignore if node doesn"t exist
    if (node == null)
        return;
    //清空node的線程
    node.thread = null;

    // Skip cancelled predecessors
    //移除被取消的前繼node，這里只移動了node的prev，沒有改變next
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
    // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
    // or signal, so no further action is necessary.
    //獲取前繼node的后繼node
    Node predNext = pred.next;

    // Can use unconditional write instead of CAS here.
    // After this atomic step, other Nodes can skip past us.
    // Before, we are free of interference from other threads.
    //設置當前node等待狀態為取消，其他線程檢測到取消狀態會移除它們
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // If we are the tail, remove ourselves.
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        //如果當前node為tail，將前驅node設置為tail（CAS）
        //設置前驅node（即現在的tail）的后繼為null（CAS）
        //此時，如果中間有取消的node，將沒有引用指向它，將被GC回收
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // If successor needs signal, try to set pred"s next-link
        // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
        int ws;
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            //如果當前node既不是head也不是tail，設置前繼node的后繼為當前node后繼
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            //喚醒當前node后繼
            unparkSuccessor(node);
        }
        //當前node的next設置為自己
        //注意現在當前node的后繼的prev還指向當前node，所以當前node還未被刪除，prev是在移除取消節點時更新的
        //這里就是為什么在前面要從后往前找可換新的node原因了，next會導致死循環
        node.next = node; // help GC
    }
}

畫圖描述解析一下cancelAcquire:

首先看如何跳過取消的前驅

這時，前驅被取消的node并沒有被移出隊列，前驅的前驅的next還指向前驅；

如果當前node是tail的情況：

這時，沒有任何引用指向當前node；

如果當前node既不是tail也不是head：

這時，當前node的前驅的next指向當前node的后繼，當前node的next指向自己，pre都沒有更新；

如果當前node是head的后繼：

這時，只是簡單的將當前node的next指向自己；

到這里，當線程搶占同步狀態的時候，會進入FIFO隊列等待同步狀態被釋放。在unlock()方法中調用了同步器的release方法；看一下release方法：

public final boolean release(int arg) {
    //判斷是否釋放同步狀態成功
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            //如果head不為null，且head的等待狀態不為0，
            //喚醒后繼node的線程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

再來看一下tryRelease方法（在Sync類中實現）：

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        //當前thread不是獨占模式的那個線程，拋出異常
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            //如果同步狀態state為0，釋放成功，將獨占線程設置為null
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        //更新同步狀態state
        setState(c);
        return free;
    }

繼續看unparkSuccessor（喚醒后繼node的tread）方法：

private void unparkSuccessor(Node node) {
    /*
     * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
     * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
     * fails or if status is changed by waiting thread.
     */
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        //head的等待狀態為負數，設置head的等待狀態為0
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    /*
     * Thread to unpark is held in successor, which is normally
     * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
     * traverse backwards from tail to find the actual
     * non-cancelled successor.
     */
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        //如果head的后繼node不存在或者后繼node等待狀態大于0（即取消）
        //從尾部往當前node迭代找到等待狀態為負數的node，unpark
        //因為會有取消的節點
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

介紹完ReentrantLock后，我們大體了解了AQS的工作原理。AQS主要就是使用了同步狀態和隊列實現了鎖的功能。有了CAS這個基礎，AQS才能發揮作用，使得在enqueue、dequeque、節點取消和異常時能夠保證隊列在多線程下的完整性。