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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將要學習的AQS及各種同步器實現的原理。
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？它們不能再繼續執行自己的程序，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
隊列的實現有很多，數組、鏈表都可以，我們這里采用鏈表，畢竟鏈表實現隊列相對簡單一些，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;
// 前一個節點（可以沒有，但實現起來很困難）
Node prev;
// 后一個節點
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點，前一個節點可有可無，但是沒有實現起來很困難，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點是head
// head后移一位
head = node;
// 清空當前節點的內容，協助GC
node.thread = null;
// 將上一個節點從鏈表中剔除，協助GC
node.prev = null;
prev.next = null;
}
// 入隊
private Node enqueue() {
while (true) {
// 獲取尾節點
Node t = tail;
// 構造新節點
Node node = new Node(Thread.currentThread(), t);
// 不斷嘗試原子更新尾節點
if (compareAndSetTail(t, node)) {
// 更新尾節點成功了，讓原尾節點的next指針指向當前節點
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，就把頭節點后移一位，并清空當前節點的內容，且與上一個節點斷絕關系；
（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;
// 下一個待喚醒的節點
Node next = head.next;
// 下一個節點不為空，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）如果有下一個節點就喚醒它；
（3）喚醒之后就會接著走上面lock()方法的while循環再去嘗試獲取鎖；
（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）隊列節點中的前一個節點prev的使用很巧妙，沒有它將很難實現一個鎖，只有寫過的人才明白，不信你試試^^
彩蛋
（1）我們實現的鎖支持可重入嗎？
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。
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