Java?多線程并發(fā)ReentrantLock

更新時(shí)間：2022年06月16日 11:51:59 作者：??自動(dòng)化BUG制造器????

這篇文章主要介紹了Java?多線程并發(fā)ReentrantLock，Java?提供了?ReentrantLock?可重入鎖來提供更豐富的能力和靈活性，感興趣的小伙伴可以參考一下

背景

在 Java 中實(shí)現(xiàn)線程安全的傳統(tǒng)方式是 synchronized 關(guān)鍵字，雖然它提供了一定的同步能力，但它在使用上是嚴(yán)格的互斥同步實(shí)現(xiàn)：一個(gè)線程只能獲取一次鎖，沒有給其他線程提供等待隊(duì)列等機(jī)制，以至于當(dāng)一個(gè)鎖被釋放后，任意線程都有可能獲取到鎖，沒有線程等待的優(yōu)先級(jí)順序，會(huì)導(dǎo)致重要的線程在沒有爭(zhēng)用到鎖的情況下，長(zhǎng)時(shí)間阻塞。為了解決 synchronized 的痛點(diǎn)，Java 提供了 ReentrantLock 可重入鎖來提供更豐富的能力和靈活性。

ReentrantLock

ReentrantLock 是一種可重入互斥鎖，其基本能力與使用 synchronized 關(guān)鍵字相同，但拓展了一些功能。它實(shí)現(xiàn)了 Lock 接口，在訪問共享資源時(shí)提供了同步的方法。操作共享資源的代碼被加鎖和解鎖方法的調(diào)用之間，從而確保當(dāng)前線程在調(diào)用加鎖方法后，阻止其他線程試圖訪問共享資源。

可重入特性

ReentrantLock 由上次成功鎖定的但尚未解鎖的線程持有；當(dāng)鎖不被任何線程擁有時(shí)，調(diào)用 lock 方法的線程將獲取到這個(gè) ReentrantLock，如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有 ReentrantLock ，lock 方法會(huì)立即返回。

ReentrantLock 允許線程多次進(jìn)入資源鎖。當(dāng)線程第一次進(jìn)入鎖時(shí)，保持計(jì)數(shù)設(shè)置為 1。在解鎖之前，線程可以再次重新進(jìn)入鎖定狀態(tài)，并且每次保持計(jì)數(shù)加一。對(duì)于每個(gè)解鎖請(qǐng)求，保持計(jì)數(shù)減一，當(dāng)保持計(jì)數(shù)為 0 時(shí)，資源被解鎖。

公平鎖設(shè)置參數(shù)

ReentrantLock 的構(gòu)造器接收一個(gè)可選的 fairness 參數(shù)（Boolean 類型）。當(dāng)設(shè)置為 true 時(shí)，在線程爭(zhēng)用時(shí)，鎖優(yōu)先授予等待時(shí)間最長(zhǎng)的線程訪問。否則，此鎖不保證任何特定的順序。但是請(qǐng)注意，鎖的公平性不能保證線程調(diào)度的公平性。

可重入鎖還提供了一個(gè)公平參數(shù)，通過該參數(shù)，鎖將遵循鎖請(qǐng)求的順序，即在線程解鎖資源后，鎖將轉(zhuǎn)到等待時(shí)間最長(zhǎng)的線程。這種公平模式是通過將 true 傳遞給鎖的構(gòu)造函數(shù)來設(shè)置的。

源碼分析

Lock 接口

ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)了 Lock 接口，所以分析源碼先從 Lock 接口開始：

public interface Lock {
 ? ?void lock();
 ? ?void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
 ? ?boolean tryLock();
 ? ?boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
 ? ?void unlock();?
 ? ?Condition newCondition();
}

Lock 接口定義了更靈活和更廣泛的鎖定操作。synchronized 關(guān)鍵字是 JVM 底層提供了 monitor 指令的形式加鎖，這導(dǎo)致了獲取多個(gè)鎖時(shí)，需要按獲取順序的倒序解鎖。Lock 就是為了解決這種不夠靈活的問題而出現(xiàn)的。Lock 接口的實(shí)現(xiàn)通過允許在不同范圍內(nèi)獲取和釋放鎖以及允許多個(gè)鎖按任意順序的獲取和釋放。隨著這種靈活性的增加，額外的職責(zé)也就隨之而來，synchronized 關(guān)鍵字以代碼塊的結(jié)構(gòu)加鎖，執(zhí)行完成鎖會(huì)自動(dòng)釋放，而 Lock 的實(shí)現(xiàn)則需要手動(dòng)釋放鎖，大多數(shù)情況下，

應(yīng)該使用下面的語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)：

 Lock l = ...;
 l.lock();
 try {
 ? // access the resource protected by this lock
 } finally {
 ? l.unlock();
 }

當(dāng)鎖定和解鎖發(fā)生在不同的作用域時(shí)，必須注意確保所有在持有鎖時(shí)執(zhí)行的代碼都受到 try-finally 或 try-catch 的保護(hù)，以確保在必要時(shí)釋放鎖。

Lock 接口中定義的方法可以劃分為三部分：

加鎖操作
解鎖操作
newCondition

加鎖操作

加鎖操作提供了四個(gè)方法：

 ? ?// 獲取鎖，如果鎖不可用，則當(dāng)前線程將被禁用以用于線程調(diào)度目的并處于休眠狀態(tài)，直到獲取到鎖為止。
 ? ?void lock();?
 ? ?void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
? ?boolean tryLock();
 ? ?boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

lock()：獲取鎖，如果無法獲取到，則當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到獲取到鎖為止。

lockInterruptibly()：除非當(dāng)前線程被中斷，否則去獲取鎖。如果獲取到了鎖，則立即返回。如果沒有爭(zhēng)用到鎖，則當(dāng)前線程阻塞，直到發(fā)生下面兩種情況之一：

如果當(dāng)前線程：

以上兩種情況都會(huì)拋出 InterruptedException ，并清除當(dāng)前線程的中斷狀態(tài)。

當(dāng)前線程獲取到了鎖
其他線程中斷了當(dāng)前線程
在進(jìn)入此方法時(shí)，設(shè)置了中斷狀態(tài)
在獲取鎖的過程中被中斷

tryLock()

僅當(dāng)鎖處于空閑狀態(tài)時(shí)，才獲取鎖。獲取到鎖立即返回 true，如果鎖被其他線程持有，則此方法立即返回 false 。

此方法的典型用法是：

 Lock lock = ...;
 if (lock.tryLock()) {
 ? try {
 ? ? // manipulate protected state
 ? } finally {
 ? ? lock.unlock();
 ? }
 } else {
 ? // perform alternative actions
 }

這種用法確保鎖在獲得時(shí)解鎖，并且在未獲得鎖時(shí)不嘗試解鎖。

tryLock(long time, TimeUnit unit)

如果在給定時(shí)間內(nèi)鎖處于空閑狀態(tài)，且當(dāng)前線程沒有被中斷，則獲取鎖。
如果當(dāng)前線程成功獲取到了鎖，則此方法立即返回 true ；如果當(dāng)前線程無法獲取到鎖，則當(dāng)前線程會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)直到發(fā)生下面三種情況之一：
如果進(jìn)入此方法時(shí)當(dāng)前線程處于中斷狀態(tài)或獲取鎖的過程中已進(jìn)入中斷狀態(tài)，以上兩種情況都會(huì)拋出 InterruptedException ，并清除當(dāng)前線程的中斷狀態(tài)。
此外，如果 time 參數(shù)小于等于 0 ，該方法不會(huì)等待。
- 鎖被當(dāng)前線程成功獲取
- 指定時(shí)間超時(shí)
- 其他線程中斷了當(dāng)前線程

解鎖操作：

解鎖操作只提供了 unlock() 方法。

newCondition：

返回綁定到此 Lock 的 Condition 實(shí)例。

內(nèi)部類

ReentrantLock 有三個(gè)內(nèi)部類，分別是 Sync、NonfairSync、FairSync 。

它們的繼承關(guān)系是：

Sync

這個(gè)類是 AQS 的直接實(shí)現(xiàn)，它為公平鎖實(shí)現(xiàn) FairSync 和非公平鎖實(shí)現(xiàn) NonfairSync 提供了共同的基礎(chǔ)能力。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?final boolean tryLock()
 ? ?abstract boolean initialTryLock();
 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?final void lock()
 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?final void lockInterruptibly()
 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?final boolean tryLockNanos(long nanos)
 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?protected final boolean tryRelease(int releases)

 ? ?protected final boolean isHeldExclusively()
 ? ?final ConditionObject newCondition()
 ? ?final Thread getOwner()
 ? ?final int getHoldCount()
 ? ?final boolean isLocked()
}

下面是一些重點(diǎn)的方法講解。

tryLock

這個(gè)方法執(zhí)行了一個(gè)不公平的嘗試加鎖操作：

 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?final boolean tryLock() {
 ? ? ? ?Thread current = Thread.currentThread();    // 獲取當(dāng)前線程
 ? ? ? ?int c = getState();                         // 從 AQS 中獲取狀態(tài)
 ? ? ? ?if (c == 0) {                               // 當(dāng)前鎖的狀態(tài)為未被持有
 ? ? ? ? ? ?if (compareAndSetState(0, 1)) { ? ?     // CAS 更新狀態(tài)為加鎖狀態(tài) 1
 ? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(current);   // 設(shè)置當(dāng)前持有的線程
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;                        // 獲取鎖成功，return true
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) {  // 如果當(dāng)前持有鎖的線程是當(dāng)前線程
 ? ? ? ? ? ?if (++c < 0) // overflow                        // c 即是狀態(tài)也是計(jì)數(shù)器，可重入計(jì)數(shù) + 1
 ? ? ? ? ? ? ? ?throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 ? ? ? ? ? ?setState(c);                                    // 更新狀態(tài)
 ? ? ? ? ? ?return true;                                    // 重入成功，return true
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?return false;                                       // 嘗試獲取鎖失敗。
 ?  }

為什么說它是不公平的，因?yàn)檫@個(gè)方法沒有按照公平等待原則，讓等待時(shí)間最久的線程優(yōu)先獲取鎖資源。

initialTryLock

這是一個(gè)抽象方法，用來在 lock 前執(zhí)行初始化工作。

lock

 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?final void lock() {
 ? ? ? ?if (!initialTryLock())
 ? ? ? ? ? ?acquire(1);
 ?  }

先根據(jù) initialTryLock() 進(jìn)行判斷，然后調(diào)用 acquire(1) ，acquire 方法在 AQS 中：

 ? ?public final void acquire(int arg) {
 ? ? ? ?if (!tryAcquire(arg))
 ? ? ? ? ? ?acquire(null, arg, false, false, false, 0L);
 ?  }

這個(gè)方法會(huì)讓當(dāng)前線程去嘗試獲取鎖資源，并忽略中斷。通過調(diào)用 tryAcquire 至少一次來實(shí)現(xiàn)，如果失敗，則去等待隊(duì)列排隊(duì)，可能會(huì)導(dǎo)致阻塞。

lockInterruptibly

 ? ?@ReservedStackAccess
 ? ?final void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
 ? ? ? ?if (Thread.interrupted())
 ? ? ? ? ? ?throw new InterruptedException();
 ? ? ? ?if (!initialTryLock())
 ? ? ? ? ? ?acquireInterruptibly(1);
 ?  }

這個(gè)方法相當(dāng)于在 lock 方法前首先進(jìn)行了線程中斷檢查，如果沒有被中斷，也是通過 initialTryLock() 判斷是否需要執(zhí)行嘗試獲取鎖的操作。與 lock 方法不同，這里調(diào)用的是 (1)：

public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
 ? ?if (Thread.interrupted() || (!tryAcquire(arg) && acquire(null, arg, false, true, false, 0L) < 0))
 ? ? ? ?throw new InterruptedException();
}

對(duì)線程中斷進(jìn)行了檢查，如果線程被中斷則中止當(dāng)前操作，至少調(diào)用 1 次 tryAcquire 嘗試去獲取鎖資源。否則線程去隊(duì)列排隊(duì)，此方法可能會(huì)導(dǎo)致阻塞，直到調(diào)用 tryAcquire 成功或線程被中斷。

tryLockNanos

 ? ? ? ?final boolean tryLockNanos(long nanos) throws InterruptedException {
 ? ? ? ? ? ?if (Thread.interrupted())
 ? ? ? ? ? ? ? ?throw new InterruptedException();
 ? ? ? ? ? ?return initialTryLock() || tryAcquireNanos(1, nanos);
 ? ? ?  }

 ? ?public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
 ? ? ? ?throws InterruptedException {
 ? ? ? ?if (!Thread.interrupted()) {
 ? ? ? ? ? ?if (tryAcquire(arg))
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ? ?if (nanosTimeout <= 0L)
 ? ? ? ? ? ? ? ?return false;
 ? ? ? ? ? ?int stat = acquire(null, arg, false, true, true,
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? System.nanoTime() + nanosTimeout); // 多了一個(gè)超時(shí)時(shí)間
 ? ? ? ? ? ?if (stat > 0)
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ? ?if (stat == 0)
 ? ? ? ? ? ? ? ?return false;
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?throw new InterruptedException();
 ?  }

本質(zhì)上調(diào)用 acquire ，多設(shè)置了一個(gè) time 參數(shù)。

tryRelease

 ? ? ? ?@ReservedStackAccess
 ? ? ? ?protected final boolean tryRelease(int releases) {
 ? ? ? ? ? ?int c = getState() - releases;
 ? ? ? ? ? ?if (getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread())
 ? ? ? ? ? ? ? ?throw new IllegalMonitorStateException();
 ? ? ? ? ? ?boolean free = (c == 0); // c = 0 說明成功釋放鎖資源
 ? ? ? ? ? ?if (free)
 ? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(null);
 ? ? ? ? ? ?setState(c);
 ? ? ? ? ? ?return free;
 ? ? ?  }

可以看出，tryRelease 方法最終更新了 State ，進(jìn)一步說明了 AQS 的實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上都是通過原子 int 來表示同步狀態(tài)的。

newCondition

 ? ?final ConditionObject newCondition() {
 ? ? ? ?return new ConditionObject();
 ?  }

這里的 newCondition 返回的是 AQS 的內(nèi)部類 ConditionObject 的實(shí)例。

Sync 中的方法與其含義：

NonfairSync 非公平鎖

 ? ?static final class NonfairSync extends Sync {
 ? ? ? ?final boolean initialTryLock() {
 ? ? ? ? ? ?Thread current = Thread.currentThread();
 ? ? ? ? ? ?if (compareAndSetState(0, 1)) { // 比較并設(shè)置狀態(tài)成功，狀態(tài)0表示鎖沒有被占用
 ? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(current); // 設(shè)置當(dāng)前線程為持有鎖的線程
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ?  } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) { // 重入情況
 ? ? ? ? ? ? ? ?int c = getState() + 1;
 ? ? ? ? ? ? ? ?if (c < 0) // overflow
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 ? ? ? ? ? ? ? ?setState(c);
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ?  } else
 ? ? ? ? ? ? ? ?return false;
 ? ? ?  }
?
 ? ? ? ?protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 ? ? ? ? ? ?if (getState() == 0 && compareAndSetState(0, acquires)) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?return false;
 ? ? ?  }
 ?  }

NonfairSync 實(shí)現(xiàn)了 initialTryLock() ，其中主要是為當(dāng)前對(duì)象設(shè)置持有線程；如果是重入的情況，則 state 計(jì)數(shù) + 1 。這個(gè)方法中的邏輯和 tryLock 方法十分相似，他們都是不公平的。每次嘗試獲取鎖，都不是按照公平等待的原則，讓等待時(shí)間最久的線程獲得鎖，所以這是不公平鎖。

FairSync

 ? ?static final class FairSync extends Sync {
 ? ? ? ?private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
 ? ? ? ?/**
 ? ? ? ? * 僅在可重入或隊(duì)列為空時(shí)獲取。
 ? ? ? ? */
 ? ? ? ?final boolean initialTryLock() {
 ? ? ? ? ? ?Thread current = Thread.currentThread();
 ? ? ? ? ? ?int c = getState();
 ? ? ? ? ? ?if (c == 0) { // 鎖處于可用狀態(tài)
 ? ? ? ? ? ? ? ?if (!hasQueuedThreads() && compareAndSetState(0, 1)) { // 查詢是否有線程正在等待獲取此鎖
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(current);
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?  } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?if (++c < 0) // overflow
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 ? ? ? ? ? ? ? ?setState(c);
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?return false;
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?/**
 ? ? ? ? * 僅當(dāng)線程是隊(duì)列頭節(jié)點(diǎn)或?yàn)榭諘r(shí)獲取。
 ? ? ? ? */
 ? ? ? ?protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 ? ? ? ? ? ?if (getState() == 0 && !hasQueuedPredecessors() &&
 ? ? ? ? ? ? ? ?compareAndSetState(0, acquires)) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
 ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?return false;
 ? ? ?  }
 ?  }

公平鎖依賴兩個(gè)判斷條件實(shí)現(xiàn)：

hasQueuedThreads 用來查詢是否有其他線程正在等待獲取此鎖。
hasQueuedPredecessors 是用來查詢是否有其他線程比當(dāng)前線程等待的時(shí)間更長(zhǎng)。

當(dāng)存在其他線程等待時(shí)間更久時(shí)，當(dāng)前線程的 tryAcquire 會(huì)直接返回 false 。

構(gòu)造函數(shù)

ReentrantLock 有兩個(gè)構(gòu)造函數(shù)：

 ? ?public ReentrantLock() {
 ? ? ? ?sync = new NonfairSync();
 ?  }?
 ? ?public ReentrantLock(boolean fair) {
 ? ? ? ?sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
 ?  }

其中一個(gè)帶有 boolean 參數(shù)的構(gòu)造方法，用來根據(jù)參數(shù) fair 實(shí)現(xiàn)公平鎖或非公平鎖，無參構(gòu)造方法默認(rèn)實(shí)現(xiàn)是非公平鎖。

核心屬性和方法

private final Sync sync;

從構(gòu)造方法中就可以看出，ReentrantLock 的 sync 屬性，代表了鎖的策略（公平 or 非公平）。

sync 是一個(gè) Sync 類型的對(duì)象，繼承自 AQS ，ReentrantLock 對(duì)外暴露的方法，內(nèi)部實(shí)際上就是調(diào)用 Sync 對(duì)應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)的：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    // ...
 ? ?public void lock() {
 ? ? ? ?sync.lock();
 ?  }
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
 ? ? ? ?sync.lockInterruptibly();
 ?  }
 ? ?
 ? ?public boolean tryLock() {
 ? ? ? ?return sync.tryLock();
 ?  }
 ? ?
 ? ?public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
 ? ? ? ?return sync.tryLockNanos(unit.toNanos(timeout));
 ?  }
 ? ?
 ? ?public void unlock() {
 ? ? ? ?sync.release(1);
 ?  }
 ? ?
 ? ?public Condition newCondition() {
 ? ? ? ?return sync.newCondition();
 ?  }
 ? ?
 ? ?public int getHoldCount() {
 ? ? ? ?return sync.getHoldCount();
 ?  }
 ? ?
 ? ?public boolean isHeldByCurrentThread() {
 ? ? ? ?return sync.isHeldExclusively();
 ?  }
 ? ?
 ? ?public boolean isLocked() {
 ? ? ? ?return sync.isLocked();
 ?  }
 ? ?
 ? ?public final boolean isFair() {
 ? ? ? ?return sync instanceof FairSync;
 ?  }
 ? ?
 ? ?protected Thread getOwner() {
 ? ? ? ?return sync.getOwner();
 ?  }
 ? ?// ... 
}

ReentrantLock 看起來就像是 Sync 的代理類，當(dāng)調(diào)用 ReentrantLock 對(duì)外暴露的方法時(shí)，會(huì)根據(jù) sync 對(duì)象的不同的類型調(diào)用不同的實(shí)現(xiàn) 。

比如，下圖就是一個(gè)公平鎖的調(diào)用過程：

ReentrantLock.lock -> 
FairSync.lock -> 
AQS.acquire -> 
FairSync.tryAcquire -> 
AQS.hasQueuedPredecessors -> AQS.setExclusiveOwnerThread

總結(jié)

ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)了 Lock 接口，有三個(gè)內(nèi)部類，其中 Sync 繼承自 AQS ，而后兩者繼承自 Sync ，它們都繼承了 AQS 的能力。本質(zhì)上來說 ReentrantLock 的底層原理就是 AQS 。

在 Sync 的兩個(gè)子類 FairSync 和 NonfairSync 分別是公平鎖策略和非公平鎖策略的實(shí)現(xiàn)，它們通過實(shí)現(xiàn)initialTryLock()方法中不同的邏輯（公平鎖多了一個(gè)檢查是否有其他等待線程的條件）。然后實(shí)現(xiàn)了不同的 tryAcquire(int acquires) ，從而在線程嘗試獲取鎖時(shí)，執(zhí)行不同的策略。

到此這篇關(guān)于Java 多線程并發(fā)ReentrantLock的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java ReentrantLock內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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