java同步之如何写一个锁Lock

问题

（1）自己动手写一个锁需要哪些知识？

（2）自己动手写一个锁到底有多简单？

（3）自己能不能写出来一个完美的锁？

简介

本篇文章的目标一是自己动手写一个锁，这个锁的功能很简单，能进行正常的加锁、解锁操作。

本篇文章的目标二是通过自己动手写一个锁，能更好地理解后面章节将要学习的aqs及各种同步器实现的原理。

分析

自己动手写一个锁需要准备些什么呢？

首先，在上一章学习synchronized的时候我们说过它的实现原理是更改对象头中的markword，标记为已加锁或未加锁。

但是，我们自己是无法修改对象头信息的，那么我们可不可以用一个变量来代替呢？

比如，这个变量的值为1的时候就说明已加锁，变量值为0的时候就说明未加锁，我觉得可行。

其次，我们要保证多个线程对上面我们定义的变量的争用是可控的，所谓可控即同时只能有一个线程把它的值修改为1，且当它的值为1的时候其它线程不能再修改它的值，这种是不是就是典型的cas操作，所以我们需要使用unsafe这个类来做cas操作。

然后，我们知道在多线程的环境下，多个线程对同一个锁的争用肯定只有一个能成功，那么，其它的线程就要排队，所以我们还需要一个队列。

最后，这些线程排队的时候干嘛呢？它们不能再继续执行自己的程序，那就只能阻塞了，阻塞完了当轮到这个线程的时候还要唤醒，所以我们还需要unsfae这个类来阻塞（park）和唤醒（unpark）线程。

基于以上四点，我们需要的神器大致有：一个变量、一个队列、执行cas/park/unpark的unsafe类。

大概的流程图如下图所示：

关于unsafe类的相关讲解请参考之前发的文章：

java unsafe详细解析

解决

一个变量

这个变量只支持同时只有一个线程能把它修改为1，所以它修改完了一定要让其它线程可见，因此，这个变量需要使用volatile来修饰。

private volatile int state;

cas

这个变量的修改必须是原子操作，所以我们需要cas更新它，我们这里使用unsafe来直接cas更新int类型的state。

当然，这个变量如果直接使用atomicinteger也是可以的，不过，既然我们学习了更底层的unsafe类那就应该用（浪）起来。

private boolean compareandsetstate(int expect, int update) {
 return unsafe.compareandswapint(this, stateoffset, expect, update);
}

一个队列

队列的实现有很多，数组、链表都可以，我们这里采用链表，毕竟链表实现队列相对简单一些，不用考虑扩容等问题。

这个队列的操作很有特点：

放元素的时候都是放到尾部，且可能是多个线程一起放，所以对尾部的操作要cas更新；

唤醒一个元素的时候从头部开始，但同时只有一个线程在操作，即获得了锁的那个线程，所以对头部的操作不需要cas去更新。

private static class node {
 // 存储的元素为线程
 thread thread;
 // 前一个节点（可以没有，但实现起来很困难）
 node prev;
 // 后一个节点
 node next;

 public node() {
 }

 public node(thread thread, node prev) {
 this.thread = thread;
 this.prev = prev;
 }
}
// 链表头
private volatile node head;
// 链表尾
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);
}

这个队列很简单，存储的元素是线程，需要有指向下一个待唤醒的节点，前一个节点可有可无，但是没有实现起来很困难，不信学完这篇文章你试试。

加锁

public void lock() {
 // 尝试更新state字段，更新成功说明占有了锁
 if (compareandsetstate(0, 1)) {
 return;
 }
 // 未更新成功则入队
 node node = enqueue();
 node prev = node.prev;
 // 再次尝试获取锁，需要检测上一个节点是不是head，按入队顺序加锁
 while (node.prev != head || !compareandsetstate(0, 1)) {
 // 未获取到锁，阻塞
 unsafe.park(false, 0l);
 }
 // 下面不需要原子更新，因为同时只有一个线程访问到这里
 // 获取到锁了且上一个节点是head
 // head后移一位
 head = node;
 // 清空当前节点的内容，协助gc
 node.thread = null;
 // 将上一个节点从链表中剔除，协助gc
 node.prev = null;
 prev.next = null;
}
// 入队
private node enqueue() {
 while (true) {
 // 获取尾节点
 node t = tail;
 // 构造新节点
 node node = new node(thread.currentthread(), t);
 // 不断尝试原子更新尾节点
 if (compareandsettail(t, node)) {
 // 更新尾节点成功了，让原尾节点的next指针指向当前节点
 t.next = node;
 return node;
 }
 }
}

（1）尝试获取锁，成功了就直接返回；

（2）未获取到锁，就进入队列排队；

（3）入队之后，再次尝试获取锁；

（4）如果不成功，就阻塞；

（5）如果成功了，就把头节点后移一位，并清空当前节点的内容，且与上一个节点断绝关系；

（6）加锁结束；

解锁

// 解锁
public void unlock() {
 // 把state更新成0，这里不需要原子更新，因为同时只有一个线程访问到这里
 state = 0;
 // 下一个待唤醒的节点
 node next = head.next;
 // 下一个节点不为空，就唤醒它
 if (next != null) {
 unsafe.unpark(next.thread);
 }
}

（1）把state改成0，这里不需要cas更新，因为现在还在加锁中，只有一个线程去更新，在这句之后就释放了锁；

（2）如果有下一个节点就唤醒它；

（3）唤醒之后就会接着走上面lock()方法的while循环再去尝试获取锁；

（4）唤醒的线程不是百分之百能获取到锁的，因为这里state更新成0的时候就解锁了，之后可能就有线程去尝试加锁了。

测试

上面完整的锁的实现就完了，是不是很简单，但是它是不是真的可靠呢，敢不敢来试试？！

直接上测试代码：

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);
}

运行这段代码的结果是总是打印出10000000（一千万），说明我们的锁是正确的、可靠的、完美的。

总结

（1）自己动手写一个锁需要做准备：一个变量、一个队列、unsafe类。

（2）原子更新变量为1说明获得锁成功；

（3）原子更新变量为1失败说明获得锁失败，进入队列排队；

（4）更新队列尾节点的时候是多线程竞争的，所以要使用原子更新；

（5）更新队列头节点的时候只有一个线程，不存在竞争，所以不需要使用原子更新；

（6）队列节点中的前一个节点prev的使用很巧妙，没有它将很难实现一个锁，只有写过的人才明白，不信你试试^^

彩蛋

（1）我们实现的锁支持可重入吗？

答：不可重入，因为我们每次只把state更新为1。如果要支持可重入也很简单，获取锁时检测锁是不是被当前线程占有着，如果是就把state的值加1，释放锁时每次减1即可，减为0时表示锁已释放。

（2）我们实现的锁是公平锁还是非公平锁？

答：非公平锁，因为获取锁的时候我们先尝试了一次，这里并不是严格的排队，所以是非公平锁。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。