【java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)6】AQS之獨(dú)占鎖ReentrantLock實(shí)現(xiàn)

sixleaves 發(fā)布于2019-08-19 11:09 / 2587人閱讀

摘要：鎖與很好的隔離使用者與實(shí)現(xiàn)者所需要關(guān)注的領(lǐng)域。那么這個(gè)就是包裝線(xiàn)程并且放入到隊(duì)列的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的方法。也證實(shí)了就是獲取鎖的線(xiàn)程的節(jié)點(diǎn)。如果發(fā)生異常取消請(qǐng)求，也就是將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)重隊(duì)列中移除。

前言

自從JDK1.5后，jdk新增一個(gè)并發(fā)工具包java.util.concurrent，提供了一系列的并發(fā)工具類(lèi)。而今天我們需要學(xué)習(xí)的是java.util.concurrent.lock也就是它下面的lock包，其中有一個(gè)最為常見(jiàn)類(lèi)ReentrantLock，

我們知道ReentrantLock的功能是實(shí)現(xiàn)代碼段的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)控制，也就是通常意義上所說(shuō)的鎖。之前我們也學(xué)習(xí)過(guò)一種鎖的實(shí)現(xiàn)，也就是synchronized關(guān)鍵詞，synchronized是在字節(jié)碼層面，通過(guò)對(duì)象的監(jiān)視器鎖實(shí)現(xiàn)的。那么ReentrantLock又是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

如果不看源碼，可能會(huì)以為它的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)類(lèi)似于synchronized，通過(guò)對(duì)象的監(jiān)視器鎖實(shí)現(xiàn)的。但事實(shí)上它僅僅是一個(gè)工具類(lèi)！沒(méi)有使用更“高級(jí)”的機(jī)器指令，不是關(guān)鍵字，也不依靠JDK編譯時(shí)的特殊處理，僅僅作為一個(gè)普普通通的類(lèi)就完成了代碼塊的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)控制，這就更讓人疑問(wèn)它怎么實(shí)現(xiàn)的代碼塊的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)控制的了。

我們查看源碼發(fā)現(xiàn)，它是通過(guò)繼承抽象類(lèi)實(shí)現(xiàn)的AbstractQueuedSynchronizer，為了方便描述，接下來(lái)我將用AQS代替AbstractQueuedSynchronizer。

關(guān)于AQS

AQS，它是用來(lái)構(gòu)建鎖或者其他同步組建的基礎(chǔ)框架，我們見(jiàn)過(guò)許多同步工具類(lèi)都是基于它構(gòu)建的。包括ReentrantLock、CountDownLatch等。在深入了解AQS了解之前，我們需要知道鎖跟AQS的區(qū)別。鎖，它是面向使用者的，它定義了使用者與鎖交互的接口，隱藏了實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)；而AQS面像的是鎖的實(shí)現(xiàn)者，它簡(jiǎn)化了鎖的實(shí)現(xiàn)。鎖與AQS很好的隔離使用者與實(shí)現(xiàn)者所需要關(guān)注的領(lǐng)域。那么我們今天就作為一個(gè)鎖的實(shí)現(xiàn)者，一步一步分析鎖的實(shí)現(xiàn)。

AQS又稱(chēng)同步器，它的內(nèi)部有一個(gè)int成員變量state表示同步狀態(tài)，還有一個(gè)內(nèi)置的FIFO隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)資源獲取線(xiàn)程的排隊(duì)工作。通過(guò)它們我們就能實(shí)現(xiàn)鎖。

在實(shí)現(xiàn)鎖之前，我們需要考慮做為鎖的使用者，鎖會(huì)有哪幾種？

通常來(lái)說(shuō)，鎖分為兩種，一種是獨(dú)占鎖(排它鎖,互斥鎖),另一種就是共享鎖了。根據(jù)這兩類(lèi)，其實(shí)AQS也給我們提供了兩套API。而我們作為鎖的實(shí)現(xiàn)者，通常都是要么全部實(shí)現(xiàn)它的獨(dú)占api，要么實(shí)現(xiàn)它的共享api，而不會(huì)出現(xiàn)一起實(shí)現(xiàn)的。即使juc內(nèi)置的ReentrantReadWriteLock也是通過(guò)兩個(gè)子類(lèi)分別來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

鎖的實(shí)現(xiàn) 獨(dú)占鎖

獨(dú)占鎖又名互斥鎖，同一時(shí)間，只有一個(gè)線(xiàn)程能獲取到鎖，其余的線(xiàn)程都會(huì)被阻塞等待。其中我們常用的ReentrantLock就是一種獨(dú)占鎖，我們一起來(lái)ReentrantLock 分析ReentrantLock的同時(shí)看一看AQS的實(shí)現(xiàn)，再推理出AQS獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方式。最后，再看其共享控制功能的實(shí)現(xiàn)。

首先我們來(lái)看看獲取鎖的過(guò)程

加鎖

我們查看ReentrantLock的源碼。來(lái)分析它的lock方法

  public void lock() {
        sync.lock();
   }

與我們之前分析的一樣，鎖的具體實(shí)現(xiàn)由內(nèi)部的代理類(lèi)完成，lock只是暴露給鎖的使用者的一套api。使用過(guò)ReentrantLock的同學(xué)應(yīng)該知道，ReentrantLock又分為公平鎖和非公平鎖，所以，ReentrantLock內(nèi)部只有兩個(gè)sync的實(shí)現(xiàn)。

    /**
     * Sync object for non-fair locks
     */
    static final class NonfairSync extends Sync{..}
     /**
     * Sync object for fair locks
     */
    static final class FairSync extends Sync{..}

公平鎖：每個(gè)線(xiàn)程獲取鎖的順序是按照調(diào)用lock方法的先后順序來(lái)的。

非公平鎖：每個(gè)線(xiàn)程獲取鎖的順序是不會(huì)按照調(diào)用lock方法的先后順序來(lái)的。完全看運(yùn)氣。

所以我們完全可以猜測(cè)到，這個(gè)公平與不公平的區(qū)別就體現(xiàn)在鎖的獲取過(guò)程。我們以公平鎖為例，來(lái)分析獲取鎖過(guò)程，最后對(duì)比非公平鎖的過(guò)程，尋找差異。

lock

查看FairSync的lock方法

    final void lock() {
            acquire(1);
        }

這里它調(diào)用到了父類(lèi)AQS的acquire方法，所以我們繼續(xù)查看acquire方法的代碼

acquire

/**
     * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
     * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
     * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
     * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
     * #tryAcquire} until success.  This method can be used
     * to implement method {@link Lock#lock}.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     */
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 
            selfInterrupt();
    }

查看方法方法的注釋我們可以知道這個(gè)方法的作用，這里我簡(jiǎn)單的翻譯一下.

Acquires方法是一個(gè)獨(dú)占鎖模式的方法，它是不會(huì)響應(yīng)中斷的。它至少執(zhí)行一次tryAcquire去獲取鎖，如果返回true，則代表獲取鎖成功，否則它將會(huì)被加入等待隊(duì)列阻塞，直到重新嘗試獲取鎖成功。所以我們需要看看嘗試獲取鎖的方法tryAcquire的實(shí)現(xiàn)

tryAcruire

   protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

拋出一個(gè)異常，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。所以我們需要查看它的子類(lèi)，在我們這里就是FairSync的實(shí)現(xiàn)。

這里也會(huì)大家會(huì)有疑惑，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)為什么不寫(xiě)成抽象方法呢，前面我們提到過(guò)，我們不會(huì)同時(shí)在一個(gè)類(lèi)中實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖跟共享鎖的api，那么tryAcruire是屬于獨(dú)占鎖，那么如果我想一個(gè)共享鎖也要重新獨(dú)占鎖的方法嗎？所以大師的設(shè)計(jì)是絕對(duì)沒(méi)有問(wèn)題的。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();//獲取當(dāng)前線(xiàn)程
            int c = getState();  //獲取父類(lèi)AQS中的標(biāo)志位
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() && 
                    //如果隊(duì)列中沒(méi)有其他線(xiàn)程  說(shuō)明沒(méi)有線(xiàn)程正在占有鎖！
                    compareAndSetState(0, acquires)) { 
                    //修改一下?tīng)顟B(tài)位，注意：這里的acquires是在lock的時(shí)候傳遞來(lái)的，從上面的圖中可以知道，這個(gè)值是寫(xiě)死的1
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    //如果通過(guò)CAS操作將狀態(tài)為更新成功則代表當(dāng)前線(xiàn)程獲取鎖，因此，將當(dāng)前線(xiàn)程設(shè)置到AQS的一個(gè)變量中，說(shuō)明這個(gè)線(xiàn)程拿走了鎖。
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
             //如果不為0 意味著，鎖已經(jīng)被拿走了，但是，因?yàn)镽eentrantLock是重入鎖，
             //是可以重復(fù)lock,unlock的，只要成對(duì)出現(xiàn)行。一次。這里還要再判斷一次 獲取鎖的線(xiàn)程是不是當(dāng)前請(qǐng)求鎖的線(xiàn)程。
                int nextc = c + acquires;//如果是的，累加在state字段上就可以了。
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

目前為止，如果獲取鎖成功，則返回true，獲取鎖的過(guò)程結(jié)束，如果獲取失敗，則返回false

按照之前的邏輯，如果線(xiàn)程獲取鎖失敗，則會(huì)被放入到隊(duì)列中，但是在放入之前，需要給線(xiàn)程包裝一下。

那么這個(gè)addWaiter就是包裝線(xiàn)程并且放入到隊(duì)列的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的方法。

addWaiter

   /**
     * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
     *
     * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
     * @return the new node
     */
    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

注釋: 把當(dāng)前線(xiàn)程作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到隊(duì)列中，并且為這個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置模式

模式： 也就是獨(dú)占模式/共享模式,在這里模式是形參，所以我們看看起調(diào)方acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) Node.EXCLUSIVE 就代表這是獨(dú)占鎖模式。

創(chuàng)建好節(jié)點(diǎn)后，將節(jié)點(diǎn)加入到隊(duì)列尾部，此處，在隊(duì)列不為空的時(shí)候，先嘗試通過(guò)cas方式修改尾節(jié)點(diǎn)為最新的節(jié)點(diǎn)，如果修改失敗，意味著有并發(fā)，這個(gè)時(shí)候才會(huì)進(jìn)入enq中死循環(huán)，“自旋”方式修改。

將線(xiàn)程的節(jié)點(diǎn)接入到隊(duì)里中后，當(dāng)然還需要做一件事:將當(dāng)前線(xiàn)程掛起！這個(gè)事，由acquireQueued來(lái)做。

在解釋acquireQueued之前，我們需要先看下AQS中隊(duì)列的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，我們知道，隊(duì)列由Node類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)組成，其中至少有兩個(gè)變量，一個(gè)封裝線(xiàn)程，一個(gè)封裝節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。

而實(shí)際上，它的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是這樣的（第一次節(jié)點(diǎn)插入時(shí)，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)空節(jié)點(diǎn)，代表有一個(gè)線(xiàn)程已經(jīng)獲取鎖，事實(shí)上，隊(duì)列的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是代表持有鎖的節(jié)點(diǎn)）：

黃色節(jié)點(diǎn)為隊(duì)列默認(rèn)的頭節(jié)點(diǎn)，每次有線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)失敗，進(jìn)入隊(duì)列后其實(shí)都是插入到隊(duì)列的尾節(jié)點(diǎn)（tail后面）后面。這個(gè)從enq方法可以看出來(lái)，上文中有提到enq方法為將節(jié)點(diǎn)插入隊(duì)列的方法:

enq

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                // 一個(gè)空的節(jié)點(diǎn)，通常代表獲取鎖的線(xiàn)程
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

acquireQueued

接著我們來(lái)看看當(dāng)節(jié)點(diǎn)被放入到隊(duì)列中，如何將線(xiàn)程掛起，也就是看看acquireQueued方法的實(shí)現(xiàn)。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                // 獲取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前驅(qū)結(jié)點(diǎn)
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是head，那么它就是等待隊(duì)列中的第一個(gè)線(xiàn)程
                // 因?yàn)槲覀冎纇ead就是獲取線(xiàn)程的節(jié)點(diǎn)，那么它就有機(jī)會(huì)再次獲取鎖
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    //成功后，將上圖中的黃色節(jié)點(diǎn)移除，Node1變成頭節(jié)點(diǎn)。 也證實(shí)了head就是獲取鎖的線(xiàn)程的節(jié)點(diǎn)。
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                // 1、檢查前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，判斷是否要掛起
                // 2、如果需要掛起，則通過(guò)JUC下的LockSopport類(lèi)的靜態(tài)方法park掛起當(dāng)前線(xiàn)程，直到被喚醒。
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            // 如果發(fā)生異常
            if (failed)
                // 取消請(qǐng)求，也就是將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)重隊(duì)列中移除。
                cancelAcquire(node);
        }
    }

這里我還需要解釋的是：

1、Node節(jié)點(diǎn)除了存儲(chǔ)當(dāng)前線(xiàn)程之外，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，前驅(qū)后驅(qū)指針之后，還存儲(chǔ)一個(gè)叫waitStatus的變量，該變量用于描述節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。共有四種狀態(tài)。

       /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus value to indicate successor"s thread needs unparking */
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
         * unconditionally propagate
         */
        static final int PROPAGATE = -3;

分別表示：

1 = 取消狀態(tài)，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)被隊(duì)列移除。

-1 = 等待狀態(tài)，后驅(qū)節(jié)點(diǎn)處于等待狀態(tài)。

-2 = 等待被通知，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)阻塞至被該鎖的condition的await方法喚醒。

-3 = 共享傳播狀態(tài)，代表該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會(huì)向后傳播。

到此為止，一個(gè)線(xiàn)程對(duì)于鎖的一次競(jìng)爭(zhēng)才告于段落，結(jié)果有兩種，要么成功獲取到鎖（不用進(jìn)入到AQS隊(duì)列中），要么，獲取失敗，被掛起，等待下次喚醒后繼續(xù)循環(huán)嘗試獲取鎖，值得注意的是，AQS的隊(duì)列為FIFO隊(duì)列，所以，每次被CPU假喚醒，且當(dāng)前線(xiàn)程不是出在頭節(jié)點(diǎn)的位置，也是會(huì)被掛起的。AQS通過(guò)這樣的方式，實(shí)現(xiàn)了競(jìng)爭(zhēng)的排隊(duì)策略。

釋放鎖

看完了加鎖，再看釋放鎖。我們先不看代碼也可以猜測(cè)到釋放鎖需要的步驟。

隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)是當(dāng)前獲取鎖的線(xiàn)程，所以我們需要移除頭節(jié)點(diǎn)

釋放鎖，喚醒頭節(jié)點(diǎn)后驅(qū)節(jié)點(diǎn)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖

接下來(lái)我們查看源碼來(lái)驗(yàn)證我們的猜想是否在正確。

unlock

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

unlock方法調(diào)用AQS的release方法，因?yàn)槲覀兊腶cquire的時(shí)候傳入的是1，也就是同步狀態(tài)量+1，那么對(duì)應(yīng)的解鎖就要-1。

release

  public final boolean release(int arg) {
        // 嘗試釋放鎖
        if (tryRelease(arg)) {
            // 釋放鎖成功，獲取當(dāng)前隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 喚醒當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

tryRelease

同樣的它是交給子類(lèi)實(shí)現(xiàn)的

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        
            int c = getState() - releases;
            // 當(dāng)前線(xiàn)程不是獲取鎖的線(xiàn)程 拋出異常
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            // 因?yàn)槭侵厝氲年P(guān)系，不是每次釋放鎖c都等于0，直到最后一次釋放鎖時(shí)，才通知AQS不需要再記錄哪個(gè)線(xiàn)程正在獲取鎖。
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
    }

unparkSuccessor

釋放鎖成功之后，就喚醒頭節(jié)點(diǎn)后驅(qū)節(jié)點(diǎn)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖

 private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

值得注意的是，尋找的順序是從隊(duì)列尾部開(kāi)始往前去找的最前面的一個(gè)waitStatus小于0的節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榇笥? 就是1狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)是取消狀態(tài)。

公平鎖與非公平鎖

到此我們鎖獲取跟鎖的釋放已經(jīng)分析的差不多。那么公平鎖跟非公平鎖的區(qū)別在于加鎖的過(guò)程。對(duì)比代碼

static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }
}

static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
}

從代碼中也可以看出來(lái)，非公平在公平鎖的加鎖的邏輯之前先直接cas修改一次state變量（嘗試獲取鎖），成功就返回，不成功再排隊(duì)，從而達(dá)到不排隊(duì)直接搶占的目的。

最后歡迎大家關(guān)注一下我的個(gè)人公眾號(hào)。一起交流一起學(xué)習(xí)，有問(wèn)必答。

云服務(wù)器 GPU云服務(wù)器獨(dú)占鎖 java并發(fā)編程 java如何實(shí)現(xiàn)編程易語(yǔ)言編程之

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