Lock框架

Lock框架為java并發(fā)編程提供了除synchronized之外的另外一種選擇。synchronized是隱式實現(xiàn)，底層封裝了對鎖資源的獲取和釋放的所有實現(xiàn)細(xì)節(jié)，程序員不需要關(guān)心也沒有辦法關(guān)心這些細(xì)節(jié)，使用起來非常方便也非常安全。

而Lock由java語言實現(xiàn)，公開了鎖資源獲取和釋放的所有細(xì)節(jié)，在資源鎖定過程中提供了更多選項，在獲取鎖資源后，可以通過Condition對象對鎖資源做細(xì)粒度的管理。

最關(guān)鍵的是Lock大量使用了CAS，充分利用“持有鎖的線程不會長時間占用鎖”這一假設(shè)，有可能的情況下就盡量先自旋、后鎖定資源。所以多線程環(huán)境下Lock應(yīng)該比synchronized有更好的性能。

java線程池框架Executor中大量使用了基于Lock接口的ReentrantLock，掌握ReentrantLock是深入理解各種Executor（ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor等）以及各種阻塞隊列的必要前提。

Lock有獨占鎖、共享鎖的區(qū)別，獨占鎖是指某一線程獲取鎖資源后即獨占該鎖資源、其他線程只能等待，共享鎖是指多個線程能同時獲得鎖資源。

今天我們的研究對象是ReentrantLock，ReentrantLock是獨占鎖，主要研究內(nèi)容：

• ReentrantLock的基本概念
• 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)：AQS，CLH隊列
• 公平鎖、非公平鎖
• Condition
• 沒有Condition參與的lock、unlock
• 有Condition參與的lock、unlock

ReentrantLock的基本概念

顧名思義，ReentrantLock是“可重入鎖”，意思是同一線程可以多次獲得鎖，n次獲得需要n次釋放才能最終釋放掉ReentrantLock。

ReentrantLock的基本原理：

• 與synchronized不同，ReentrantLock不存在“鎖對象”的概念，或者可以理解為鎖對象就是ReentrantLock對象本身
• ReentrantLock設(shè)置一個狀態(tài)值，通過對狀態(tài)值的原子操作實現(xiàn)對鎖資源的獲取和釋放，任何一個線程能獲取鎖資源的充分必要條件是ReentrantLock處于空閑狀態(tài)，同理，任何一個線程獲得鎖資源后ReentrantLock即處于占用狀態(tài)
• ReentrantLock的兩個最基本的操作：lock和unlock，lock獲取鎖資源，unlock釋放鎖資源
• ReentrantLock維護(hù)一個CLH隊列，CLH隊列是一個先進(jìn)先出的雙向隊列
• ReentrantLock處于空閑狀態(tài)則lock調(diào)用立即返回，調(diào)用線程獲得鎖資源。否則，請求線程進(jìn)入CLH隊列排隊，等待被其他線程喚醒
• 獲得鎖資源的線程在業(yè)務(wù)執(zhí)行完成后調(diào)用unlock釋放鎖資源，之后以FIFO的原則喚醒最先進(jìn)入隊列排隊的線程
• 被喚醒的線程繼續(xù)執(zhí)行l(wèi)ock操作，節(jié)點從CLH隊列出隊，返回---意味著請求鎖資源的線程在等待后獲取鎖資源成功，繼續(xù)第6步的邏輯

以上是沒有Condition對象參與的ReentrantLock的獲取、釋放鎖資源的邏輯，相對比較簡單。

有Condition參與的時候，情況會稍微復(fù)雜一點：

• ReentrantLock對象可以通過new Condition()操作持有Condition對象，一個ReentrantLock可以持有多個Condition對象
• Condition維護(hù)一個Condition隊列
• Condition的常用的操作包括await、signal等，執(zhí)行操作的時候假設(shè)當(dāng)前線程已經(jīng)獲取到了ReentrantLock鎖資源
• await操作會釋放掉當(dāng)前線程已經(jīng)獲取到的ReentrantLock鎖資源、掛起當(dāng)前線程，并且將當(dāng)前線程加入Condition的隊列排隊等待被其他線程喚醒。比如DelayedWorkQueue的take方法中，如果當(dāng)前DelayedWorkQueue隊列空的話，則take線程加入到命名為available的Condition中排隊等候
• 當(dāng)相關(guān)操作可能導(dǎo)致Condition的條件滿足的時候，調(diào)用Condition的signal方法喚醒在Condition隊列中等待的線程。比如上例中DelayedWorkQueue的add方法完成之后，調(diào)用available的signal方法，喚醒在available隊列中排隊等候的線程。
• 線程被喚醒之后從Condition隊列出隊，進(jìn)ReentrantLock的CLH隊列排隊等待重新獲取鎖資源

Condition舉例：take方法中隊列空的話，掛起等待

Condition舉例：offer方法中寫入隊列后，喚醒等待的線程

對ReentrantLock應(yīng)該有一個基本的認(rèn)識了，如果只是想要對ReentrantLock做一個基本了解、能夠看懂ReentrantLock的應(yīng)用、而不是要從源碼角度做深入研究的話，個人認(rèn)為掌握上面這些基本原理應(yīng)該就夠了，保證能看懂阻塞隊列、線程池中的有關(guān)ReentrantLock的源碼邏輯了。

但是如果想要徹底搞清楚ReentrantLock到底是怎么實現(xiàn)以上邏輯的，就需要從源碼角度繼續(xù)做深入研究了。

ReentrantLock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：AQS及CLH隊列

多個線程同時競爭ReentrantLock鎖資源的時候，只能有一個競爭獲勝的線程獲得鎖資源、其他線程就只能排隊等待。這個用來排隊的隊列就是CLH隊列，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是實現(xiàn)CLH隊列的虛擬類。

ReentrantLock有一個非常重要的屬性Sync，Sync是AQS的虛擬擴(kuò)展類，Sync有兩個實現(xiàn)類：NonfairSync和FairSync，類結(jié)構(gòu)如下：

NonfairSync和FairSync都是AQS的最終實現(xiàn)，AQS虛擬類是一個標(biāo)準(zhǔn)模板，定義了Lock鎖的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（阻塞隊列）、并實現(xiàn)了Lock的絕大部分功能。

進(jìn)入隊列排隊的線程被封裝為Node，Node是AQS定義的內(nèi)部類，是我們學(xué)習(xí)AQS首先要掌握的內(nèi)容。

Node的重要屬性：

waitStatus：等待狀態(tài)，Node就是用來排隊的，waitStatus就代表當(dāng)前節(jié)點的等待狀態(tài)，有以下幾種等待狀態(tài)：

• CANCELLED = 1：表示當(dāng)前等待線程已經(jīng)被calcel掉了
• SIGNAL = -1：表示該節(jié)點是在CLH隊列中排隊等待出隊
• CONDITION = -2：表示當(dāng)前節(jié)點是在Condition隊列中等待出隊
• PROPAGATE = -3：共享鎖會用到，暫不分析

prev：上一節(jié)點
next：雙向隊列嘛，當(dāng)然也要有下一節(jié)點
Thread thread：節(jié)點的主角，排隊線程
nextWaiter：Condition隊列專用，用來指向Condition隊列的下一節(jié)點

AQS的同步隊列（CLH）以及Condition隊列的節(jié)點都是用這個Node，所以Node類做了一部分針對兩者的兼容設(shè)計，比如nextWaiter是針對Condtion隊列的下一節(jié)點，next是針對CLH的下一節(jié)點。

AQS重要屬性

state：鎖狀態(tài)，通過對state的原子操作實現(xiàn)對鎖資源的控制：某一線程通過原子操作成功將state從空閑修改為占用則意味著當(dāng)前線程成功獲得了鎖資源。無法獲得鎖資源的線程則封裝為Node節(jié)點進(jìn)入隊列排隊等待。

head：首節(jié)點，頭節(jié)點
tail：尾結(jié)點

通過head節(jié)點、tail節(jié)點，以及每個節(jié)點的prev、next，AQS實現(xiàn)了一個雙向隊列。

公平鎖和非公平鎖

所謂的公平鎖和非公平鎖就是由Sync屬性決定的：當(dāng)Sync創(chuàng)建為NonfairSync的時候，就是非公平的ReentrantLock，否則就是公平的ReentrantLock。

使用無參構(gòu)造器創(chuàng)建的是非公平ReentrantLock，有參構(gòu)造器ReentrantLock(boolean fair)可以通過參數(shù)指定創(chuàng)建公平還是非公平鎖。

公平鎖在線程請求鎖資源的時候會檢查CLH隊列，隊列不空的話首先進(jìn)入隊列排隊，先提出申請的線程會優(yōu)先獲得鎖資源，因此是“公平”的鎖。

非公平鎖在線程請求鎖資源的時候不會檢查CLH隊列，直接嘗試獲得鎖資源，獲取失敗后才進(jìn)入隊列排隊。所以請求線程會得到比隊列中的線程更高的優(yōu)先級，對于隊列中排隊的線程來說是不公平的，所以叫非公平鎖。

Condition

Condition提供await和signal（以及他們的變種）方法為ReentrantLock鎖資源提供更多選擇：當(dāng)前線程獲取到ReentrantLock鎖資源后，可以通過Condition對象的await方法掛起當(dāng)前線程直到其他線程通過該對象的signal方法喚醒。

一個ReentrantLock可以創(chuàng)建多個Condition對象，每一個Condition對象都是獨立的、互不影響。ReentrantLock好比是一條街上的黑社會老大，黑社會老大首先要把這條街拿下，也就是獲得ReentrantLock鎖資源。之后的每一個Condition好比是這條街道上的飯店A、小賣店B、公共衛(wèi)生間C，分別對應(yīng)ConditionObjectA、ConditionObjectB、ConditionObjectC，得到黑社會老大允許后你就可以隨意進(jìn)出飯店吃飯了，但是如果飯店客滿了，就必須通過調(diào)用ConditionObjectA的await方法進(jìn)入到ConditionObjectA的隊列中排隊等待（當(dāng)前線程封裝為AQS中的Node進(jìn)入隊列（假設(shè)叫NodeA），當(dāng)前線程A掛起），此時黑社會老大需要交出對整條街的鎖權(quán)限（貌似不太合理...），此后飯店A有人吃完了要離店，就會通過ConditionObjectA的signal方法通知正在隊列中排隊等候的NodeA，于是NodeA從ConditionObjectA隊列中出來，到ReentrantLock的CLH隊列中排隊、等待重新獲取ReentrantLock鎖資源之后再喚醒線程A。這個過程中如果有其他人（其他線程）要進(jìn)入小賣店B，需要進(jìn)行操作的就是小賣店對應(yīng)的ConditionObjectB，和飯店對應(yīng)的ConditionObjectA沒有任何關(guān)系。

小結(jié)

發(fā)現(xiàn)開篇定下的內(nèi)容太多了，篇幅所限，后面的“沒有Condition參與的lock、unlock”以及“有Condition參與的lock、unlock”，基本就是上述邏輯的源碼分析，放在下一篇。

以上就是Java并發(fā)編程Lock Condition和ReentrantLock基本原理的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java并發(fā)編程的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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