【并发编程学习篇】ReentrantLock设计思想剖析

news2024/9/26 3:30:59

一、AQS原理剖析

什么是AQS

  1. java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如 等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等
  2. 而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）实现的，AQS是一个抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的 同步器。
  3. JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS框架来实现的
  4. 一般是通过一个内部类Sync继承 AQS，然后将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法

AQS具备的特性： 阻塞等待队列、共享/独占、公平/非公平、可重入、允许中断

AQS内部维护属性 “volatile int state” 表示资源的可用状态

State三种访问方式： getState() 、setState() 、compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式

  1. Exclusive-独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
  2. Share-共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch

AQS定义两种队列

  1. 同步等待队列： 主要用于维护获取锁失败时入队的线程

  2. 条件等待队列： 调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁

AQS 定义了5个队列中节点状态：

  1. 值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。

  2. CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；

  3. SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark；

  4. CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；

  5. PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；

不同的自定义同步器竞争共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。

自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

  1. isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
  2. tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
  3. tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
  4. tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
  5. tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

同步等待队列

AQS当中的同步等待队列也称 CLH队列，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是 FIFO 先进先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。

AQS 依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理：

  1. 当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程

  2. 当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。

  3. 通过 signal 或 signalAll 将条件队列中的节点转移到同步队列。（由条件队列转化为同步队列）

在这里插入图片描述

条件等待队列

AQS中条件队列是使用 单向列表 保存的，用nextWaiter来连接:

调用await方法阻塞线程，当前线程存在于同步队列的头结点，调用await方法进行阻塞（从同步队列转化到条件队列）

Condition接口详解
在这里插入图片描述

  1. 调用Condition#await方法会 释放当前持有的锁，然后阻塞当前线程，同时向Condition队列 尾部 添加一个节点，所以调用Condition#await方法的时候必须持有锁。

  2. 调用Condition#signal方法会将Condition队列的首节点移动到阻塞队列尾部

  3. 然后唤醒因调condition#await方法而阻塞的线程(唤醒之后这个线程就可以去竞争锁了)，所以调用Condition#signal方法的时候必须持有锁，持有锁的线程唤醒被因调用Condition#await方法而阻塞的线程。

等待唤醒机制之await/signal测试

@Slf4j
public class ConditionTest {

    public static void main(String[] args) {

        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 开始处理任务");
                condition.await();
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 结束处理任务");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 开始处理任务");

                Thread.sleep(2000);
                condition.signal();
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 结束处理任务");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
    }

二、ReentrantLock介绍

ReentrantLock是一种基于AQS框架的应用实现，是JDK中的一种线程并发访问的同步手段，它的功能类似于synchronized是一种互斥锁，可以保证线程安全。

相对于 synchronized， ReentrantLock具备如下特点：

  1. 可中断
  2. 可以设置超时时间
  3. 可以设置为公平锁
  4. 支持多个条件变量
  5. 与 synchronized 一样，都支持可重入

在这里插入图片描述

三、ReentrantLock使用

3.1 线程安全测试

public class ReentrantLockDemo {

    private static  int sum = 0;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread thread = new Thread(()->{
                //加锁
                lock.lock();
                try {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        sum++;
                    }
                } finally {
                    // 解锁
                    lock.unlock();
                }
            });
            thread.start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(sum);
    }

3.2 可重入

@Slf4j
public class ReentrantLockDemo2 {

    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        method1();
    }


    public static void method1() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method1");
            method2();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method2() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method2");
            method3();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method3() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method3");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

3.3 可中断

@Slf4j
public class ReentrantLockDemo3 {

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> {

            log.debug("t1启动...");

            try {
                lock.lockInterruptibly();
                try {
                    log.debug("t1获得了锁");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.debug("t1等锁的过程中被中断");
            }

        }, "t1");

        lock.lock();
        try {
            log.debug("main线程获得了锁");
            t1.start();
            //先让线程t1执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            t1.interrupt();
            log.debug("线程t1执行中断");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

3.4 锁超时

立即失败

@Slf4j
public class ReentrantLockDemo4 {

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> {

            log.debug("t1启动...");
            // 注意： 即使是设置的公平锁，此方法也会立即返回获取锁成功或失败，公平策略不生效
            if (!lock.tryLock()) {
                log.debug("t1获取锁失败，立即返回false");
                return;
            }
            try {
                log.debug("t1获得了锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        }, "t1");


        lock.lock();
        try {
            log.debug("main线程获得了锁");
            t1.start();
            //先让线程t1执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

超时失败

@Slf4j
public class ReentrantLockDemo4 {

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("t1启动...");
            //超时
            try {
                if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                    log.debug("等待 1s 后获取锁失败，返回");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return;
            }
            try {
                log.debug("t1获得了锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        }, "t1");


        lock.lock();
        try {
            log.debug("main线程获得了锁");
            t1.start();
            //先让线程t1执行
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

3.5 公平锁

ReentrantLock 默认是不公平的

@Slf4j
public class ReentrantLockDemo5 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁 

        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "t" + i).start();
        }
        // 1s 之后去争抢锁
        Thread.sleep(1000);

        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "强行插入" + i).start();
        }
    }
}

输出结果：

t0 running...
t1 running...
t2 running...
......
强行插入0 running...
强行插入1 running...
强行插入2 running...
......

3.6 非公平锁

在这里插入图片描述

四、ReentrantLock源码剖析

4.1 lock方法

image.png

公平&非公平的方法源码

// 公平锁的sync的lock方法
final void lock() {
    acquire(1);
}

// 非公平锁的sync的lock方法
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

4.2 acquire方法

acquire是一个业务方法，里面并没有实际的业务处理，都是在调用其他方法

// 核心acquire     arg = 1
public final void acquire(int arg) {
	/**
	* 1. 调用tryAcquire方法：尝试获取锁资源（非公平、公平），拿到锁资源，返回true，直接结束方法，否则执行&&后面的方法
	* 
	* 2. 当没有获取锁资源后，会先调用addWaiter：会将没有获取到锁资源的线程封装为Node对象，并且插入到AQS的队列的末尾，并且作为tail
	* 
	* 3. 继续调用acquireQueued方法，查看当前排队的Node是否在队列的前面，如果在前面（head的next），尝试获取锁资源，否则尝试将线程挂起，阻塞起来！
	*/
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

4.3 tryAcquire方法

tryAcquire分为公平和非公平两种

tryAcquire主要做了两件事：

  • 如果state为0，尝试获取锁资源
  • 如果state不为0，看一下是不是锁重入操作，如果不是

非公平：

// 非公平锁实现！
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    // 拿到当前线程！
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 拿到AQS的state
    int c = getState();
    // 如果state == 0，说明没有线程占用着当前的锁资源
    if (c == 0) {
        // 没人占用锁资源，我直接抢一波（不管有没有线程在排队）
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 将当前占用这个互斥锁的线程属性设置为当前线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            // 返回true，拿锁成功
            return true;
        }
    }
    // 当前state != 0，说明有线程占用着锁资源
    // 判断拿着锁的线程是不是当前线程（锁重入）
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 将state再次+1
        int nextc = c + acquires;
        // 锁重入是否超过最大限制
        // 0（符号位） 1111111 11111111 11111111 11111111   + 1
        // 1（符号位）0000000 00000000 00000000 00000000
        // 抛出error
        if (nextc < 0) 
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 将值设置给state
        setState(nextc);
        // 返回true，拿锁成功
        return true;
    }
    return false;
}

公平锁：

// 公平锁实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 拿到当前线程！
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 拿到AQS的state
    int c = getState();
    // c == 0 没有其他线程获取锁
    if (c == 0) {
        // 判断是否有线程在排队，如果有线程排队，直接不执行返回最外层的false
        // 如果没有线程排队，执行compareAndSetState()方法，CAS尝试修改status属性为1（获取锁资源）
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current); // 设置当前独占锁的线程
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

4.4 addWaiter方法

在获取锁资源 失败 后，需要将当前线程封装为Node对象，并且插入到AQS队列的末尾

// 将当前线程封装为Node对象，并且插入到AQS队列的末尾
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 将当前线程封装为Node对象，mode为null，代表互斥锁
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // pred是tail节点
    Node pred = tail;
    // 如果pred不为null，有线程正在排队
    if (pred != null) {
        // 将当前节点的prev，指定tail尾节点
        node.prev = pred;
        // 以CAS的方式，将当前节点变为tail节点
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            // 之前的tail的next指向当前节点
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 添加的流程为，  自己prev指向、tail指向自己、前节点next指向我
    // 如果上述方式，CAS操作失败，导致加入到AQS末尾失败，如果失败，就基于enq的方式添加到AQS队列
    enq(node);
    return node;
}

// enq，无论怎样都添加进入
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        // 拿到tail
        Node t = tail;
        // 如果tail为null，说明当前没有Node在队列中
        if (t == null) { 
            // 创建一个新的Node作为head，并且将tail和head指向一个Node
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            // 和上述代码一致！
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

4.5 acquireQueued

  1. acquireQueued方法会查看当前排队的Node是否是head的next
  2. 如果是，尝试获取锁资源，如果不是或者获取锁资源失败那么就尝试将当前Node的线程挂起（unsafe.park()）
  3. 在挂起线程前，需要确认当前节点的上一个节点的状态必须是小于等于0，

  • 如果为1，代表是取消的节点，不能挂起

  • 如果为-1，代表挂起当前线程

  • 如果为-2，-3，需要将状态改为-1之后，才能挂起当前线程

// acquireQueued方法
// 查看当前排队的Node是否是head的next，
// 如果是，尝试获取锁资源，
// 如果不是或者获取锁资源失败那么就尝试将当前Node的线程挂起（unsafe.park()）
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 标识。
    boolean failed = true;
    try {
        // 循环走起
        for (;;) {
            // 拿到上一个节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && // 说明当前节点是head的next
                tryAcquire(arg)) { // 竞争锁资源，成功：true，失败：false
                // 进来说明拿到锁资源成功
                // 将当前节点置位head，thread和prev属性置位null
                setHead(node);
                // 帮助快速GC
                p.next = null; 
                // 设置获取锁资源成功
                failed = false;
                // 不管线程中断。
                return interrupted;
            }
            // 如果不是或者获取锁资源失败,尝试将线程挂起
            // 第一个事情，当前节点的上一个节点的状态正常！
            // 第二个事情，挂起线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
				// 通过LockSupport将当前线程挂起
                parkAndCheckInterrupt())
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

// 确保上一个节点状态是正确的
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 拿到上一个节点的状态
    int ws = pred.waitStatus;
    // 如果上一个节点为 -1
    if (ws == Node.SIGNAL)
        // 返回true，挂起线程
        return true;
    // 如果上一个节点是取消状态
    if (ws > 0) {
        // 循环往前找，找到一个状态小于等于0的节点
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 将小于等于0的节点状态该为-1
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

4.6 unlock方法

释放锁资源：

  • 将state-1。
  • 如果state减为0了，唤醒在队列中排队的Node。（一定唤醒离head最近的）

释放锁不分公平和非公平，就一个方法。

// 真正释放锁资源的方法
public final boolean release(int arg) {
    // 核心的释放锁资源方法
    if (tryRelease(arg)) {
        // 释放锁资源释放干净了。  （state == 0）
        Node h = head;
        // 如果头节点不为null，并且头节点的状态不为0，唤醒排队的线程
        if (h != null && h.waitStatus != 0)、
            // 唤醒线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    // 释放锁成功，但是state != 0
    return false;
}

// 核心的释放锁资源方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 获取state - 1
    int c = getState() - releases;
    // 如果释放锁的线程不是占用锁的线程，抛异常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 是否成功的将锁资源释放利索 （state == 0）
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        // 锁资源释放干净。
        free = true;
        // 将占用锁资源的属性设置为null
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 将state赋值
    setState(c);
    // 返回true，代表释放干净了
    return free;
}

// 唤醒节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 拿到头节点状态
    int ws = node.waitStatus;
    // 如果头节点状态小于0，换为0
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 拿到当前节点的next
    Node s = node.next;
    // 如果s == null ，或者s的状态为1
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        // next节点不需要唤醒，需要唤醒next的next
        s = null;
        // 从尾部往前找，找到状态正常的节点。（小于等于0代表正常状态）
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 经过循环的获取，如果拿到状态正常的节点，并且不为null
    if (s != null)
        // 唤醒线程
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

4.7 为什么唤醒线程时，为啥从尾部往前找，而不是从前往后找？

在这里插入图片描述

  1. 因为在addWaiter操作时，是先将当前Node的prev指针指向前面的节点，然后是通过CAS将tail赋值给当前Node
  2. 最后才是能上一个节点的next指针，指向当前Node。
  3. 如果从前往后，通过next去找，可能CAS成功把tail指向新插入的node时，还未把前驱I节点的next指向当前节点，可能会 丢失 某个节点，导致这个节点不会被唤醒~
  4. 如果从后往前找，肯定可以找到全部的节点。

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