JDK中有关锁的一些接口和类

众所周知，JDK中关于并发的类大多都在java.util.concurrent（以下简称juc）包下。而juc.locks包看名字就知道，是提供了一些并发锁的工具类的。前面我们介绍的AQS（AbstractQueuedSynchronizer）就是在这个包下。下面分别介绍一下这个包下的类和接口以及它们之间的关系。

抽象类AQS/AQLS/AOS

这三个抽象类有一定的关系，所以这里放到一起讲。

首先我们看AQS（AbstractQueuedSynchronizer），之前专门有章节介绍这个类，它是在JDK 1.5 发布的，提供了一个“队列同步器”的基本功能实现。而AQS里面的“资源”是用一个int类型的数据来表示的，有时候我们的业务需求资源的数量超出了int的范围，所以在JDK 1.6 中，多了一个AQLS（AbstractQueuedLongSynchronizer）。它的代码跟AQS几乎一样，只是把资源的类型变成了long类型。

AQS和AQLS都继承了一个类叫AOS（AbstractOwnableSynchronizer）。这个类也是在JDK 1.6 中出现的。这个类只有几行简单的代码。从源码类上的注释可以知道，它是用于表示锁与持有者之间的关系（独占模式）。可以看一下它的主要方法：

// 独占模式，锁的持有者 private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 设置锁持有者 protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t) { exclusiveOwnerThread = t; } // 获取锁的持有线程 protected final Thread getExclusiveOwnerThread() { return exclusiveOwnerThread; }

接口Condition/Lock/ReadWriteLock

juc.locks包下共有三个接口：Condition、Lock、ReadWriteLock。其中，Lock和ReadWriteLock从名字就可以看得出来，分别是锁和读写锁的意思。Lock接口里面有一些获取锁和释放锁的方法声明，而ReadWriteLock里面只有两个方法，分别返回“读锁”和“写锁”：

public interface ReadWriteLock { Lock readLock(); Lock writeLock(); }

Lock接口中有一个方法是可以获得一个Condition:

Condition newCondition();

之前我们提到了每个对象都可以用继承自Object的wait/notify方法来实现等待/通知机制。而Condition接口也提供了类似Object监视器的方法，通过与Lock配合来实现等待/通知模式。

那为什么既然有Object的监视器方法了，还要用Condition呢？这里有一个二者简单的对比：

Condition和Object的wait/notify基本相似。其中，Condition的await方法对应的是Object的wait方法，而Condition的signal/signalAll方法则对应Object的notify/notifyAll()。但Condition类似于Object的等待/通知机制的加强版。我们来看看主要的方法：

ReentrantLock

ReentrantLock是一个非抽象类，它是Lock接口的JDK默认实现，实现了锁的基本功能。从名字上看，它是一个”可重入“锁，从源码上看，它内部有一个抽象类Sync，是继承了AQS，自己实现的一个同步器。同时，ReentrantLock内部有两个非抽象类NonfairSync和FairSync，它们都继承了Sync。从名字上看得出，分别是”非公平同步器“和”公平同步器“的意思。这意味着ReentrantLock可以支持”公平锁“和”非公平锁“。

通过看这两个同步器的源码可以发现，它们的实现都是”独占“的。都调用了AOS的setExclusiveOwnerThread方法，所以ReentrantLock的锁是”独占“的，也就是说，它的锁都是”排他锁“，不能共享。

在ReentrantLock的构造方法里，可以传入一个boolean类型的参数，来指定它是否是一个公平锁，默认情况下是非公平的。这个参数一旦实例化后就不能修改，只能通过isFair()方法来查看。

ReentrantReadWriteLock

这个类也是一个非抽象类，它是ReadWriteLock接口的JDK默认实现。它与ReentrantLock的功能类似，同样是可重入的，支持非公平锁和公平锁。不同的是，它还支持”读写锁“。

ReentrantReadWriteLock内部的结构大概是这样：

// 内部结构 private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock; private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock; final Sync sync; abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 具体实现 } static final class NonfairSync extends Sync { // 具体实现 } static final class FairSync extends Sync { // 具体实现 } public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable { private final Sync sync; protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) { sync = lock.sync; } // 具体实现 } public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable { private final Sync sync; protected WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock) { sync = lock.sync; } // 具体实现 } // 构造方法，初始化两个锁 public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); readerLock = new ReadLock(this); writerLock = new WriteLock(this); } // 获取读锁和写锁的方法 public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; } public ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock() { return readerLock; }

可以看到，它同样是内部维护了两个同步器。且维护了两个Lock的实现类ReadLock和WriteLock。从源码可以发现，这两个内部类用的是外部类的同步器。

ReentrantReadWriteLock实现了读写锁，但它有一个小弊端，就是在“写”操作的时候，其它线程不能写也不能读。我们称这种现象为“写饥饿”，将在后文的StampedLock类继续讨论这个问题。

StampedLock

StampedLock类是在Java 8 才发布的，也是Doug Lea大神所写，有人号称它为锁的性能之王。它没有实现Lock接口和ReadWriteLock接口，但它其实是实现了“读写锁”的功能，并且性能比ReentrantReadWriteLock更高。StampedLock还把读锁分为了“乐观读锁”和“悲观读锁”两种。

前面提到了ReentrantReadWriteLock会发生“写饥饿”的现象，但StampedLock不会。它是怎么做到的呢？它的核心思想在于，在读的时候如果发生了写，应该通过重试的方式来获取新的值，而不应该阻塞写操作。这种模式也就是典型的无锁编程思想，和CAS自旋的思想一样。这种操作方式决定了StampedLock在读线程非常多而写线程非常少的场景下非常适用，同时还避免了写饥饿情况的发生。

这里篇幅有限，就不介绍StampedLock的源码了，只是分析一下官方提供的用法（在JDK源码类声明的上方或Javadoc里可以找到）。

class Point { private double x, y; private final StampedLock sl = new StampedLock(); // 写锁的使用 void move(double deltaX, double deltaY) { long stamp = sl.writeLock(); // 获取写锁 try { x += deltaX; y += deltaY; } finally { sl.unlockWrite(stamp); // 释放写锁 } } // 乐观读锁的使用 double distanceFromOrigin() { long stamp = sl.tryOptimisticRead(); // 获取乐观读锁 double currentX = x, currentY = y; if (!sl.validate(stamp)) { // //检查乐观读锁后是否有其他写锁发生，有则返回false stamp = sl.readLock(); // 获取一个悲观读锁 try { currentX = x; currentY = y; } finally { sl.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁 } } return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY); } // 悲观读锁以及读锁升级写锁的使用 void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { long stamp = sl.readLock(); // 悲观读锁 try { while (x == 0.0 && y == 0.0) { // 读锁尝试转换为写锁：转换成功后相当于获取了写锁，转换失败相当于有写锁被占用 long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp); if (ws != 0L) { // 如果转换成功 stamp = ws; // 读锁的票据更新为写锁的 x = newX; y = newY; break; } else { // 如果转换失败 sl.unlockRead(stamp); // 释放读锁 stamp = sl.writeLock(); // 强制获取写锁 } } } finally { sl.unlock(stamp); // 释放所有锁 } } }

乐观读锁的意思就是先假定在这个锁获取期间，共享变量不会被改变，既然假定不会被改变，那就不需要上锁。在获取乐观读锁之后进行了一些操作，然后又调用了validate方法，这个方法就是用来验证tryOptimisticRead之后，是否有写操作执行过，如果有，则获取一个悲观读锁，这里的悲观读锁和ReentrantReadWriteLock中的读锁类似，也是个共享锁。

可以看到，StampedLock获取锁会返回一个long类型的变量，释放锁的时候再把这个变量传进去。简单看看源码：

// 用于操作state后获取stamp的值 private static final int LG_READERS = 7; private static final long RUNIT = 1L; //0000 0000 0001 private static final long WBIT = 1L << LG_READERS; //0000 1000 0000 private static final long RBITS = WBIT - 1L; //0000 0111 1111 private static final long RFULL = RBITS - 1L; //0000 0111 1110 private static final long ABITS = RBITS | WBIT; //0000 1111 1111 private static final long SBITS = ~RBITS; //1111 1000 0000 // 初始化时state的值 private static final long ORIGIN = WBIT << 1; //0001 0000 0000 // 锁共享变量state private transient volatile long state; // 读锁溢出时用来存储多出的读锁 private transient int readerOverflow;

StampedLock用这个long类型的变量的前7位（LG_READERS）来表示读锁，每获取一个悲观读锁，就加1（RUNIT），每释放一个悲观读锁，就减1。而悲观读锁最多只能装128个（7位限制），很容易溢出，所以用一个int类型的变量来存储溢出的悲观读锁。

写锁用state变量剩下的位来表示，每次获取一个写锁，就加0000 1000 0000（WBIT）。需要注意的是，写锁在释放的时候，并不是减WBIT，而是再加WBIT。这是为了让每次写锁都留下痕迹，解决CAS中的ABA问题，也为乐观锁检查变化validate方法提供基础。

乐观读锁就比较简单了，并没有真正改变state的值，而是在获取锁的时候记录state的写状态，在操作完成后去检查state的写状态部分是否发生变化，上文提到了，每次写锁都会留下痕迹，也是为了这里乐观锁检查变化提供方便。

总的来说，StampedLock的性能是非常优异的，基本上可以取代ReentrantReadWriteLock的作用。

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