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ReentranLock实现原理

时间:2018-08-19 23:22:07      阅读:242      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:final   次数   字段   还需   span   唤醒   功能   thread   rev   

原文链接:https://blog.csdn.net/jeffleo/article/details/56677425

一、ReentranLock

  相信我们都使用过ReentranLock,ReentranLock是Concurrent包下一个用于实现并发的工具类(ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch等),它和Synchronized一样都是独占锁,它们两个锁的比较如下: 
  1. ReentrantLock实现了Lock接口,提供了与synchronized同样的互斥性和可见性,也同样提供了可重入性。 
  2. synchronized存在一些功能限制:无法中断一个正在等待获取锁的线程,无法获取一个锁时无限得等待下去。ReentrantLock更加灵活,能提供更好的活跃性和性能,可以中断线程 
  3. 内置锁的释放时自动的,而ReentrantLock的释放必须在finally手动释放 
  4. 在大并发量的时候,ReentranLock的效率会比Synchronized好很多 
  5. Lock可以进行可中断的(lock.lockInterruptibly())、可超时的(tryLock(long time, TimeUnit unit))、非阻塞(tryLock())的方式获取锁 

  一个并发工具自然最基本的功能就是获取锁和释放锁,那么有没有想过,ReentranLock是如何来实现并发的?既然ReentranLock可以中断线程,所以内部自然不可能使用synchronized来实现。事实上,ReentranLock只是一个工具类,它内部的的实现都是通过一个AbstractQueuedSynchronizer(简称AQS)来实现的,AQS是整个Concurrent包中最核心的地方,其它的并发工具也都是使用AQS来实现的,因此,以下我们就通过ReentranLock来分析AQS是如何实现的!

二、AQS

  站在使用者的角度,AQS的功能可以分为两类:独占功能和共享功能,它的所有子类中,要么实现并使用了它独占功能的API,要么使用了共享锁的功能,而不会同时使用两套API,即便是它最有名的子类ReentrantReadWriteLock,也是通过两个内部类:读锁和写锁,分别实现的两套API来实现的,为什么这么做,后面我们再分析,到目前为止,我们只需要明白AQS在功能上有独占控制和共享控制两种功能即可 
  AQS类中,有一个叫做state的成员变量,在ReentranLock他表示获取锁的线程数,假如state=0,表示还没有现成获取锁;1表示已经有现成获取了锁;大于1表示重入的数量

三、ReentranLock的源码

  首先我们要对ReentranLock有一个大体的了解,ReentranLock分为公平锁和非公平锁,并且ReentranLock是AQS独占功能的体现 
  公平锁:每个线程抢占锁的顺序为先后调用lock方法的顺序依次获取锁,就像排队一样 
  非公平锁:表示获取锁的线程是不定顺序的,谁运气好,谁就获取到锁 
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  可以看到,两个锁都是继承了一个叫做Sync的类,并且都分别有两个方法lock和tryAcquire,那我们看看Sync这个类: 
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  原来,Sync继承自AQS,并且公平锁和非公平锁的两个方法lock和tryAcquire都是重写了Sync的方法,这也就验证了ReentrantLock的实现原理就是AQS

  到这里,我们已经有了基本的认识,那么我们就想想,公平锁和非公平锁该如何实现: 
  有那么一个被volatile修饰的标志位叫做key(其实就是上面所说的AQS中的state),用来表示有没有线程拿走了锁,还需要一个线程安全的队列,维护一堆被挂起的线程,以至于当锁被归还时,能通知到这些被挂起的线程,可以来竞争获取锁了。 
  因此,公平锁和非公平锁唯一的区别就是获取锁的时候,是先直接去获取锁还是先进入队列中等待

四、ReentranLock的加锁

  我们来看看ReentranLock是如何加锁的:

公平锁

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  公平锁调用lock时,会直接调用父类AQS的acquire方法,这里传入1,很简单,就是告知有一个线程要获取锁,这里是定死的;因此,相反,在释放锁的时候,也是传入1 
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  在acquire中,首先调用tryAcquire,目的尝试获取锁,如果获取不到,就调用addWaiter创建一个waiter(当前线程)防止到队列中,然后自身阻塞,那我们来看看如何尝试获取锁?(注意:两个锁都重写了AQS的tryAcquire方法)

 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            //首先得到获取锁的当前线程
            final Thread current = Thread.currentThread();
            //获取当前state
            int c = getState();
            //如果当前没有线程获取锁
            if (c == 0) {
                //hasQueuedPredecessors表示当前队列是否有线程在等待
                //表示没有线程在等待,同时采用CAS更新state的状态
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //然后设置一个属性exclusiveOwnerThread = current,记录锁被当前线程拿去
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //如果c != 0,说明已经有线程获取锁,并且getExclusiveOwnerThread == current,表示当前正在获取锁的就是当前锁,所以这里是重入!
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //重入的话,让状态为state+1,表示多一次重入
                int nextc = c + acquires;
                //如果当前状态<0,说明出现异常
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                //设置当前标志位
                setState(nextc);
                return true;
            }
            //如果锁已经被获取,并且又不是重入,所以返回false,表明获取锁失败
            return false;
        }
    }

  获取锁的逻辑上面说得很明白了,但是这里需要了解的是CAS操作和队列的数据结构,这个下面在说,我们接着看,回到tryAcquire中 
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  如果获取锁成功,则不操作;如果获取锁失败,则调用addWaiter并采取Node.EXECLUSIVE模式把当前线程放到队列中去,mode是一个表示Node类型的字段,仅仅表示这个节点是独占的,还是共享的

private Node addWaiter(Node mode) {
        //把当前线程按照Node.EXECLUSIVE模式包装成1个Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        //用pred表示队列中的尾节点
        Node pred = tail;
        //如果尾节点不为空
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            //通过CAS操作把node插入到列表的尾部,并把尾节点指向node如果失败,说明有并发,此时调用enq
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //如果队列为空,或者CAS失败,进入enq中死循环,“自旋”方式修改。
        enq(node);
        return node;
    } 

  先看下AQS中队列的内存结构,我们知道,队列由Node类型的节点组成,其中至少有两个变量,一个封装线程,一个封装节点类型。 
  而实际上,它的内存结构是这样的(第一次节点插入时,第一个节点是一个空节点,代表有一个线程已经获取锁,事实上,队列的第一个节点就是代表持有锁的节点): 
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 private Node enq(final Node node) {
        //进入死循环
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //如果尾节点为null,说明队列为空
            if (t == null) {
                //此时通过CAS增加一个头结点(即上图的黄色节点),并且tail也指向头结点,之后下一次循环
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {//否则,把当前线程的node插入到尾节点的后面
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    //并返回插入结点的前一个节点
                    return t;
                }
            }
        }
    }

 

  这就完成了线程节点的插入,还需要做一件事:将当前线程挂起!,这里在acquireQueued内通过parkAndCheckInterrupt将线程挂起

 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //如果当前的节点是head说明他是队列中第一个“有效的”节点,因此尝试获取,
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //成功后,将上图中的黄色节点移除,Node1变成头节点。
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    //返回true表示已经插入到队列中,且已经做好了挂起的准备
                    return interrupted;
                }
                //否则,检查前一个节点的状态为,看当前获取锁失败的线程是否需要挂起。如果需要,借助JUC包下的LockSopport类的静态方法Park挂起当前线程。知道被唤醒。
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) 
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed) //如果有异常
                cancelAcquire(node);// 取消请求,对应到队列操作,就是将当前节点从队列中移除。
        }
    } 

  这块代码有几点需要说明:

  1. Node节点中,除了存储当前线程,节点类型,队列中前后元素的变量,还有一个叫waitStatus的变量,改变量用于描述节点的状态,为什么需要这个状态呢? 
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  原因是:AQS的队列中,在有并发时,肯定会存取一定数量的节点,每个节点[G4] 代表了一个线程的状态,有的线程可能“等不及”获取锁了,需要放弃竞争,退出队列,有的线程在等待一些条件满足,满足后才恢复执行(这里的描述很像某个J.U.C包下的工具类,ReentrankLock的Condition,事实上,Condition同样也是AQS的子类)等等,总之,各个线程有各个线程的状态,但总需要一个变量来描述它,这个变量就叫waitStatus,它有四种状态: 
  节点取消 
  节点等待触发 
  节点等待条件 
  节点状态需要向后传播。 
  只有当前节点的前一个节点为SIGNAL时,才能当前节点才能被挂起。

  2. 对线程的挂起及唤醒操作是通过使用UNSAFE类调用JNI方法实现的。当然,还提供了挂起指定时间后唤醒的API,在后面我们会讲到。 
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  我们来理一理思路: 
  1. 调用lock方法获取锁,而lock方法内值调用了AQS的acquire(1) 
  2. 然后尝试获取锁,如果当前state标志==0,表示还没有线程获取锁,然后再判断是否有队列在等待获取该锁,如果没有队列,说明当前线程是第一个获取该锁的线程,然后修改标志位,并且用一个变量exclusiveOwnerThread来记录当前线程获取了锁 
  3. 如果是重入状态,也修改state+1 
  4. 如果锁已被占取,获取失败 
  5. 如果获取失败,则把当前线程包装成一个Node,插入到队列中, 
  6. 否则,检查前一个节点的状态为,看当前获取锁失败的线程是否需要挂起。如果需要,借助JUC包下的LockSopport类的静态方法Park挂起当前线程。知道被唤醒。

非公平锁

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  这里可以看到,非公平锁,首先是直接去获取锁,如果有并发获取失败,调用AQS的acquire(1),然后acquire中调用非公平锁的tryAcquire,进而调用nonfairTryAcquire

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //如果当前没有现成获取锁,直接获取锁,然后设置一个属性exclusiveOwnerThread = current,记录锁被当前线程拿去,这里和公平所有细微的差别,公平所还要判断hasQueuedPredecessors()
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }//如果是重入
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            //如果当前锁获取失败,返回false
            return false;
        }

 

  其它的都和公平锁一样了,如果到这里都获取失败了,就会插入到队列中阻塞起来

总结公平锁和非公平锁

  1. 公平锁获取锁时,会老老实实得走AQS的流程去获取锁
  2. 非公平锁获取锁是,首先会抢占锁,达到不排队的目的,如果抢占失败,只能老老实实排队了

五、ReentrantLock的释放锁

  从上面我们可以知道,当锁已被占,获取锁的线程会一直在队列中排队(FIFO),那么我们想想,释放的时候该怎么做? 
  1. 首先锁的状态位要改变 
  2. 队列中的头结点去获取锁

  我们来看看代码验证一下: 
  释放锁的时候调用unlock(),然后在方法中调用AQS的release方法 
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  在release方法中,首先调用tryRelease方法,由于继承自AQS的Sync类重写了tryRelease方法,所以此时执行的是Sync的tryRelease方法

  protected final boolean tryRelease(int releases) {
            //这里传入的releases是1,跟获取锁时传入的1一致,更新state状态
            int c = getState() - releases;
            //如果当前占领锁的线程不是尝试释放锁的线程,会抛出非法异常
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //如果释放成功,则修改获取锁的变量为null,但是因为是重入的关系,不是每次释放锁c都等于0,直到最后一次释放锁时,才通知AQS不需要再记录哪个线程正在获取锁
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        } 

  此时已经释放了锁,然后便通知队列头部的线程去获取锁 
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  寻找的顺序是从队列尾部开始往前去找的最前面的一个waitStatus小于0的节点,找到这个及节点后,利用LockSopport类将其唤醒,这个waitStatu前面说过了,不记得了到前面看看。 
  

六、总结

  在Concurrent包中,基本上并发工具都是使用了AQS作为核心,因此AQS也是并发编程中最重要的地方!我们从ReentrantLock出发,去探讨了AQS的实现原理,其实并不难,AQS中采用了一个state的状态位+一个FIFO的队列的方式,记录了锁的获取,释放等,这个state不一定用来代指锁,ReentrantLock用它来表示线程已经重复获取该锁的次数,Semaphore用它来表示剩余的许可数量,FutureTask用它来表示任务的状态(尚未开始,正在运行,已完成以及以取消)。同时,在AQS中也看到了很多CAS的操作。AQS有两个功能:独占功能和共享功能,而ReentranLock就是AQS独占功能的体现,而CountDownLatch则是共享功能的体现

ReentranLock实现原理

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原文地址:https://www.cnblogs.com/fswhq/p/ReentranLock.html

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