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關(guān)于ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)原理解讀

 更新時(shí)間:2023年06月19日 10:08:30   作者:盛夏溫暖流年  
這篇文章主要介紹了關(guān)于ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)原理,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助。如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

ReentrantLock 簡(jiǎn)介

ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)了 Lock 接口,是一種可重入的獨(dú)占鎖。

相比于 synchronized 同步鎖,ReentrantLock 更加靈活,擁有更加強(qiáng)大的功能,比如可以實(shí)現(xiàn)公平鎖機(jī)制。

首先,先來(lái)了解一下什么是公平鎖機(jī)制。

ReentrantLock 的公平鎖機(jī)制

我們知道,ReentrantLock 分為公平鎖非公平鎖,可以通過(guò)構(gòu)造方法來(lái)指定具體類(lèi)型:

//默認(rèn)非公平鎖
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
//公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

公平鎖

在多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)獲取鎖時(shí),公平鎖傾向于將訪問(wèn)權(quán)授予等待時(shí)間最長(zhǎng)的線程。

也就是說(shuō),公平鎖相當(dāng)于有一個(gè)線程等待隊(duì)列,先進(jìn)入隊(duì)列的線程會(huì)先獲得鎖,按照 "FIFO(先進(jìn)先出)" 的原則,對(duì)于每一個(gè)等待線程都是公平的。

非公平鎖

非公平鎖是搶占模式,線程不會(huì)關(guān)注隊(duì)列中是否存在其他線程,也不會(huì)遵守先來(lái)后到的原則,直接嘗試獲取鎖。

接下來(lái)進(jìn)入正題,一起分析下 ReentrantLock 的底層是如何實(shí)現(xiàn)的。

ReentrantLock 的底層實(shí)現(xiàn)

ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)的前提是 AbstractQueuedSynchronizer(抽象隊(duì)列同步器),簡(jiǎn)稱(chēng) AQS,是 java.util.concurrent 的核心,

常用的線程并發(fā)類(lèi) CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、ReentrantLock 等都包括了一個(gè)繼承自 AQS 抽象類(lèi)的內(nèi)部類(lèi)。

同步標(biāo)志位 state

AQS 內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)同步標(biāo)志位 state,用來(lái)實(shí)現(xiàn)同步加鎖控制:

private volatile int state;

同步標(biāo)志位 state 的初始值為 0,線程每加一次鎖,state 就會(huì)加 1,也就是說(shuō),已經(jīng)獲得鎖的線程再次加鎖,state 值會(huì)再次加 1。

可以看出,state 實(shí)際上表示的是已獲得鎖的線程進(jìn)行加鎖操作的次數(shù)。

CLH 隊(duì)列

除了 state 同步標(biāo)志位外,AQS 內(nèi)部還使用一個(gè) FIFO 的隊(duì)列(也叫 CLH 隊(duì)列)來(lái)表示排隊(duì)等待鎖的線程,當(dāng)線程爭(zhēng)搶鎖失敗后會(huì)封裝成 Node 節(jié)點(diǎn)加入 CLH 隊(duì)列中去。

Node 的代碼實(shí)現(xiàn):

static final class Node {
      // 標(biāo)識(shí)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在共享模式
      static final Node SHARED = new Node();
      // 標(biāo)識(shí)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在獨(dú)占模式
      static final Node EXCLUSIVE = null;
      static final int CANCELLED =  1;
      static final int SIGNAL    = -1;
      static final int CONDITION = -2;
      static final int PROPAGATE = -3;
    volatile int waitStatus;
      //前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
      volatile Node prev;
      //后驅(qū)節(jié)點(diǎn)
      volatile Node next;
      //當(dāng)前線程
      volatile Thread thread;
      //存儲(chǔ)在condition隊(duì)列中的后繼節(jié)點(diǎn)
      Node nextWaiter;
      //是否為共享鎖
      final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
      }
      final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
      }
      Node() {}
      Node(Thread thread, Node mode) {
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
      }
      Node(Thread thread, int waitStatus) {
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
      }
}

分析代碼可知, 每個(gè) Node 節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)指針,分別指向直接后繼節(jié)點(diǎn)和直接前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。

Node 節(jié)點(diǎn)的變化過(guò)程

當(dāng)出現(xiàn)鎖競(jìng)爭(zhēng)以及釋放鎖的時(shí)候,AQS 同步隊(duì)列中的 Node 節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化,如下圖所示:

  

線程封裝成 Node 節(jié)點(diǎn)追加到隊(duì)列末尾,設(shè)置當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的 prev 節(jié)點(diǎn)和 next 節(jié)點(diǎn)的指向;通過(guò) CAS 將 tail 重新指向新的尾部節(jié)點(diǎn),即當(dāng)前插入的 Node 節(jié)點(diǎn);

head 節(jié)點(diǎn)表示獲取鎖成功的節(jié)點(diǎn),當(dāng)頭結(jié)點(diǎn)釋放鎖后,會(huì)喚醒后繼節(jié)點(diǎn),如果后繼節(jié)點(diǎn)獲得鎖成功,就會(huì)把自己設(shè)置為頭結(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的變化過(guò)程如下:

修改 head 節(jié)點(diǎn)指向下一個(gè)獲得鎖的節(jié)點(diǎn);新的獲得鎖的節(jié)點(diǎn),將 prev 的指針指向 null;

和設(shè)置 tail 的重新指向不同,設(shè)置 head 節(jié)點(diǎn)不需要用 CAS,是因?yàn)樵O(shè)置 head 節(jié)點(diǎn)是由獲得鎖的線程來(lái)完成的,而同步鎖只能由一個(gè)線程獲得,所以不需要 CAS 保證。

只需要把 head 節(jié)點(diǎn)設(shè)置為原首節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn),并且斷開(kāi)原 head 節(jié)點(diǎn)的 next 引用即可。

除了前驅(qū)和后繼節(jié)點(diǎn),Node 類(lèi)中還包括了 SHARED 和 EXCLUSIVE 節(jié)點(diǎn),它們起到了什么作用呢?這就不得不介紹一下 AQS 的兩種資源共享模式了。

AQS 的資源共享模式

AQS 通過(guò) EXCLUSIVE 和 SHARED 兩個(gè)變量來(lái)定義獨(dú)占模式共享模式

獨(dú)占模式

獨(dú)占模式是最常用的模式,使用范圍很廣,比如 ReentrantLock 的加鎖和釋放鎖就是使用獨(dú)占模式實(shí)現(xiàn)的。

獨(dú)占模式中的核心加鎖方法是 acquire()

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

這里首先調(diào)用 tryAcquire() 方法嘗試獲取鎖,也就是嘗試通過(guò) CAS 修改 state 為 1,如果發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被當(dāng)前線程占用,就執(zhí)行重入,也就是給 state+1;

如果鎖被其他線程占有,那么當(dāng)前線程執(zhí)行 tryAcquire 返回失敗,則會(huì)執(zhí)行 addWaiter() 方法在等待隊(duì)列中添加一個(gè)獨(dú)占式節(jié)點(diǎn),addWaiter() 方法實(shí)現(xiàn)如下:

    private Node addWaiter(Node mode) {
        //創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn),此處mode是獨(dú)占式的
        Node node = new Node(mode);
        for (;;) {
            Node oldTail = tail;
            if (oldTail != null) {
                // 如果tail節(jié)點(diǎn)非空,就將新節(jié)點(diǎn)的前節(jié)點(diǎn)設(shè)置為tail節(jié)點(diǎn),并將tail指向新節(jié)點(diǎn)
                node.setPrevRelaxed(oldTail);
                //CAS將tail更新為新節(jié)點(diǎn)
                if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {
                    //把原tail的next設(shè)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
                    oldTail.next = node;
                    return node;
                }
            } else {
                //還沒(méi)有初始化,就調(diào)用initializeSyncQueue()方法初始化
                initializeSyncQueue();
            }
        }
    }

寫(xiě)入隊(duì)列后,需要掛起當(dāng)前線程,代碼如下:

/**
 * 已經(jīng)入隊(duì)的線程嘗試獲取鎖
 */
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true; //標(biāo)記是否成功獲取鎖
    try {
        boolean interrupted = false; //標(biāo)記線程是否被中斷過(guò)
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor(); //獲取前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
            //如果前驅(qū)是head,即該結(jié)點(diǎn)是第二位,有資格去嘗試獲取鎖
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node); // 獲取成功,將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)置為head節(jié)點(diǎn)
                p.next = null; // 原h(huán)ead節(jié)點(diǎn)出隊(duì)
                failed = false; //獲取成功
                return interrupted; //返回是否被中斷過(guò)
            }
            // 判斷獲取失敗后是否可以掛起,若可以則掛起
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                // 線程若被中斷,設(shè)置interrupted為true
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

再看下 shouldParkAfterFailedAcquire 和 parkAndCheckInterrupt 都做了哪些事:

/**
 * 判斷當(dāng)前線程獲取鎖失敗之后是否需要掛起.
 */
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        // 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為signal,返回true
        return true;
    // 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為CANCELLED
    if (ws > 0) {
        // 從隊(duì)尾向前尋找第一個(gè)狀態(tài)不為CANCELLED的節(jié)點(diǎn)
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 將前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}
/**
 * 掛起當(dāng)前線程,返回線程中斷狀態(tài)并重置
 */
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

通過(guò)以上代碼可以看出,線程入隊(duì)后能夠掛起的前提是,它的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為 SIGNAL,這意味著當(dāng)前一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取鎖并且出隊(duì)后,需要把后面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒。

加鎖說(shuō)完了再說(shuō)解鎖,解鎖的方法相比來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單,核心方法是 release():

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

代碼流程:先嘗試釋放鎖,若釋放成功,那么查看頭結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是否為 SIGNAL,如果是,則喚醒頭結(jié)點(diǎn)的下個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的線程,如果釋放失敗就返回 false 表示解鎖失敗。

其中的 tryRelease() 方法實(shí)現(xiàn)如下,詳細(xì)流程見(jiàn)注釋說(shuō)明:

/**
 * 釋放當(dāng)前線程占用的鎖
 * @param releases
 * @return 是否釋放成功
 */
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 計(jì)算釋放后state值
    int c = getState() - releases;
    // 如果不是當(dāng)前線程占用鎖,那么拋出異常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        // 鎖被重入次數(shù)為0,表示釋放成功
        free = true;
        // 清空獨(dú)占線程
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 更新state值
    setState(c);
    return free;
}

共享模式

共享模式和獨(dú)占模式最大的區(qū)別在于,共享模式具有傳播的特性。

共享模式獲取鎖的方法為 acquireShared,相比于獨(dú)占模式,共享模式的加鎖多了一個(gè)步驟,即自己拿到資源后,還會(huì)去喚醒后繼隊(duì)友;

而共享模式釋放鎖的方法為 releaseShared,它會(huì)釋放指定量的資源,如果成功釋放且允許喚醒等待線程,會(huì)喚醒等待隊(duì)列里的其他線程來(lái)獲取資源。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn),希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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