-So-easy!多图详解CLH锁的原理与实现,轻松把握AQS,面试复盘

private static class CLHNode {
    // 锁状态:默认为false,表示线程没有获取到锁;true表示线程获取到锁或正在等待
    // 为了保证locked状态是线程间可见的,因此用volatile关键字修饰
    volatile boolean locked = false;
}
// 尾结点,总是指向最后一个CLHNode节点
// 【注意】这里用了java的原子系列之AtomicReference,能保证原子更新
private final AtomicReference<CLHNode> tailNode;
// 当前节点的前继节点
private final ThreadLocal<CLHNode> predNode;
// 当前节点
private final ThreadLocal<CLHNode> curNode;

// CLHLock构造函数,用于新建CLH锁节点时做一些初始化逻辑
public CLHLock() {
    // 初始化时尾结点指向一个空的CLH节点
    tailNode = new AtomicReference<>(new CLHNode());
    // 初始化当前的CLH节点
    curNode = new ThreadLocal() {
        @Override
        protected CLHNode initialValue() {
            return new CLHNode();
        }
    };
    // 初始化前继节点,注意此时前继节点没有存储CLHNode对象,存储的是null
    predNode = new ThreadLocal();
}

/**
 * 获取锁
 */
public void lock() {
    // 取出当前线程ThreadLocal存储的当前节点,初始化值总是一个新建的CLHNode,locked状态为false。
    CLHNode currNode = curNode.get();
    // 此时把lock状态置为true,表示一个有效状态,
    // 即获取到了锁或正在等待锁的状态
    currNode.locked = true;
    // 当一个线程到来时,总是将尾结点取出来赋值给当前线程的前继节点;
    // 然后再把当前线程的当前节点赋值给尾节点
    // 【注意】在多线程并发情况下,这里通过AtomicReference类能防止并发问题
    // 【注意】哪个线程先执行到这里就会先执行predNode.set(preNode);语句,因此构建了一条逻辑线程等待链
    // 这条链避免了线程饥饿现象发生
    CLHNode preNode = tailNode.getAndSet(currNode);
    // 将刚获取的尾结点(前一线程的当前节点)付给当前线程的前继节点ThreadLocal
    // 【思考】这句代码也可以去掉吗,如果去掉有影响吗?
    predNode.set(preNode);
    // 【1】若前继节点的locked状态为false,则表示获取到了锁,不用自旋等待;
    // 【2】若前继节点的locked状态为true,则表示前一线程获取到了锁或者正在等待,自旋等待
    while (preNode.locked) {
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "没能获取到锁,进行自旋等待。。。");
    }
    // 能执行到这里,说明当前线程获取到了锁
    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取到了锁!!!");
}

/**
 * 释放锁
 */
public void unLock() {
    // 获取当前线程的当前节点
    CLHNode node = curNode.get();
    // 进行解锁操作
    // 这里将locked至为false,此时执行了lock方法正在自旋等待的后继节点将会获取到锁
    // 【注意】而不是所有正在自旋等待的线程去并发竞争锁
    node.locked = false;
    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁!!!");
    // 小伙伴们可以思考下,下面两句代码的作用是什么??
    CLHNode newCurNode = new CLHNode();
    curNode.set(newCurNode);

    // 【优化】能提高GC效率和节省内存空间,请思考:这是为什么?
    // curNode.set(predNode.get());
}

}


# 4.1 CLH锁的初始化逻辑

通过上面代码,我们缕一缕CLH锁的初始化逻辑先:

1.  定义了一个`CLHNode`节点,里面有一个`locked`属性,表示线程线程是否获得锁,默认为`false`。`false`表示线程没有获取到锁或已经释放锁;`true`表示线程获取到了锁或者正在自旋等待。

    > 注意,为了保证`locked`属性线程间可见,该属性被`volatile`修饰。

2.  `CLHLock`有三个重要的成员变量尾节点指针`tailNode`,当前线程的前继节点`preNode`和当前节点`curNode`。其中`tailNode`是`AtomicReference`类型,目的是为了保证尾节点的线程安全性;此外,`preNode`和`curNode`都是`ThreadLocal`类型即线程本地变量类型,用来保存每个线程的前继`CLHNode`和当前`CLHNode`节点。
3.  最重要的是我们新建一把`CLHLock`对象时,此时会执行构造函数里面的初始化逻辑。此时给尾指针`tailNode`和当前节点`curNode`初始化一个`locked`状态为`false`的`CLHNode`节点,此时前继节点`preNode`存储的是`null`。

# 4.2 CLH锁的加锁过程

我们再来看看CLH锁的加锁过程,下面再贴一遍加锁`lock`方法的代码:

// CLHLock.java

/**

  • 获取锁
    */
    public void lock() {
    // 取出当前线程ThreadLocal存储的当前节点,初始化值总是一个新建的CLHNode,locked状态为false。
    CLHNode currNode = curNode.get();
    // 此时把lock状态置为true,表示一个有效状态,
    // 即获取到了锁或正在等待锁的状态
    currNode.locked = true;
    // 当一个线程到来时,总是将尾结点取出来赋值给当前线程的前继节点;
    // 然后再把当前线程的当前节点赋值给尾节点
    // 【注意】在多线程并发情况下,这里通过AtomicReference类能防止并发问题
    // 【注意】哪个线程先执行到这里就会先执行predNode.set(preNode);语句,因此构建了一条逻辑线程等待链
    // 这条链避免了线程饥饿现象发生
    CLHNode preNode = tailNode.getAndSet(currNode);
    // 将刚获取的尾结点(前一线程的当前节点)付给当前线程的前继节点ThreadLocal
    // 【思考】这句代码也可以去掉吗,如果去掉有影响吗?
    predNode.set(preNode);
    // 【1】若前继节点的locked状态为false,则表示获取到了锁,不用自旋等待;
    // 【2】若前继节点的locked状态为true,则表示前一线程获取到了锁或者正在等待,自旋等待
    while (preNode.locked) {
    try {
    Thread.sleep(1000);
    } catch (Exception e) {

     }
     System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "没能获取到锁,进行自旋等待。。。");
    

    }
    // 能执行到这里,说明当前线程获取到了锁
    System.out.println(“线程” + Thread.currentThread().getName() + “获取到了锁!!!”);
    }


虽然代码的注释已经很详细,我们还是缕一缕线程加锁的过程:

1.  首先获得当前线程的当前节点`curNode`,这里每次获取的`CLHNode`节点的`locked`状态都为`false`;
2.  然后将当前`CLHNode`节点的`locked`状态赋值为`true`,表示当前线程的一种有效状态,即获取到了锁或正在等待锁的状态;
3.  因为尾指针`tailNode`的总是指向了前一个线程的`CLHNode`节点,因此这里利用尾指针`tailNode`取出前一个线程的`CLHNode`节点,然后赋值给当前线程的前继节点`predNode`,并且将尾指针重新指向最后一个节点即当前线程的当前`CLHNode`节点,以便下一个线程到来时使用;
4.  根据前继节点(前一个线程)的`locked`状态判断,若`locked`为`false`,则说明前一个线程释放了锁,当前线程即可获得锁,不用自旋等待;若前继节点的locked状态为true,则表示前一线程获取到了锁或者正在等待,自旋等待。

为了更通俗易懂,我们用一个图里来说明。

**假如有这么一个场景:**有四个并发线程同时启动执行lock操作,假如四个线程的实际执行顺序为:threadA<--threadB<--threadC<--threadD

**第一步**,线程A过来,执行了lock操作,获得了锁,此时`locked`状态为`true`,如下图:

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/24195226-0485c483260cd736.image?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)



**第二步**,线程B过来,执行了lock操作,由于线程A还未释放锁,此时自旋等待,`locked`状态也为`true`,如下图:

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/24195226-a77032844c086d02.image?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)


**第三步**,线程C过来,执行了lock操作,由于线程B处于自旋等待,此时线程C也自旋等待(因此CLH锁是公平锁),`locked`状态也为`true`,如下图:![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/24195226-690806a461e097b2.image?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)


**第四步**,线程D过来,执行了lock操作,由于线程C处于自旋等待,此时线程D也自旋等待,`locked`状态也为`true`,如下图:![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/24195226-75723583476afbf9.image?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)


这就是多个线程并发加锁的一个过程图解,当前线程只要判断前一线程的`locked`状态如果是`true`,那么则说明前一线程要么拿到了锁,要么也处于自旋等待状态,所以自己也要自旋等待。而尾指针`tailNode`总是指向最后一个线程的`CLHNode`节点。

# 4.3 CLH锁的释放锁过程

前面用图解结合代码说明了CLH锁的加锁过程,那么,CLH锁的释放锁的过程又是怎样的呢? 同样,我们先贴下释放锁的代码:

// CLHLock.java

/**

  • 释放锁
    */
    public void unLock() {
    // 获取当前线程的当前节点
    CLHNode node = curNode.get();
    // 进行解锁操作
    // 这里将locked至为false,此时执行了lock方法正在自旋等待的后继节点将会获取到锁
    // 【注意】而不是所有正在自旋等待的线程去并发竞争锁
    node.locked = false;
    System.out.println(“线程” + Thread.currentThread().getName() + “释放了锁!!!”);
    // 小伙伴们可以思考下,下面两句代码的作用是什么???
    CLHNode newCurNode = new CLHNode();
    curNode.set(newCurNode);

    // 【优化】能提高GC效率和节省内存空间,请思考:这是为什么?
    // curNode.set(predNode.get());
    }




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