多线程学习笔记三之ReentrantLock与AQS实现分析
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简介
ReentrantLock是基于同步器AbstractQueuedSynchronizer(AQS)实现的独占式重入锁，支持公平锁、非公平锁(默认是非公平锁)、申请锁可响应中断以及限时获取锁等高级功能，分析ReentrantLock就离不开同步器AQS，关系图以下：node
在AQS中实现了如何获取锁和释放锁的模板方法，重入锁ReentrantLock实现时经过内部类继承Sync同步器AbstractQueuedSynchronizer。并调用同步器提供的模板方法，而这些模板方法将会调用ReentrantLock重写的方法，这是典型的模板方法设计模式。AQS实现同步器功能离不开三大基础组件：设计模式
- 对共享资源同步状态进行原子性管理 ---> 利用CAS对同步状态进行更新
- 线程的阻塞与唤醒 ---> 调用native方法
- 等待队列的管理 ---> 维护FIFO队列
AQS同步状态
AQS中使用了一个int型的volatile变量来表示同步状态，线程在尝试获取锁的时候，就回去比较同步器同步状态state是否为0，为0，那么线程就拿到了锁并改变同步状态；不为0，说明有其余线程拿到了锁。AQS中提供了如下三个方法来访问或修改同步状态：数据结构
//AQS成员变量，同步状态
private volatile int state;
//获取当前同步状态
protected final int getState() {
return state;
}
//设置当前同步状态
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//使用CAS设置当前状态，该方法可以保证状态设置的原子性
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
AQS同步队列
当有多个线程竞争获取锁时，只有一个线程能获取到锁，那么这些没有获取到锁的线程就须要等待，等到线程把锁释放了再唤醒等待线程去获取锁，为了实现等待-唤醒机制，AQS提供了基于CLH队列(Craig, Landin,Hagersten)实现的等待队列，是一个先入先出的双向队列。同步队列是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是经过自旋锁和CAS保证节点插入和移除的原子性。
并发
AQS中的内部类Node是构建同步队列和等待队列（后面介绍Condition再介绍）的基础节点类，Node类部分源码以下：函数
static final class Node {
//等待状态
volatile int waitStatus;
//前驱结点
volatile Node prev;
//后继节点
volatile Node next;
//等待获取锁的线程
volatile Thread thread;
//condition队列的后继节点
Node nextWaiter;
}
关于节点Node的waitStatus，它反映的是节点中线程的等待状态，有以下取值：ui
- CANCELLED，值为1，由于超时或中断，该线程已经被取消
- SIGNAL，值为-1，线程的后继线程正/已被阻塞，当该线程release或cancel时要从新这个后继线程(unpark)
- CONDITION，值为-2，代表该线程被处于条件队列，就是由于调用了Condition.await而被阻塞
- PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared可以得以执行
- 等待状态的初始值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
ReentrantLock数据结构
从关系图能够看出，ReentrantLock实现了Lock接口，内部类Sync是AQS的子类，Sync有两个子类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)。ReentrantLock只有一个成员变量sync,经过构造函数初始化，能够看到经过默认的构造函数构造的ReentrantLock是非公平锁。this
private final Sync sync;
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
公平锁的获取
ReentrantLock获取锁方法以下：线程
public void lock() {
sync.lock();
}
公平锁调用的是FairSync的lock方法：设计
final void lock() {
acquire(1);
}
acquire方法是AQS实现的方法，介绍一下参数的1的意思：AQS规定同步状态state，想要得到锁就去改变同步状态，就是把同步状态加1。acquire方法：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
获取锁的过程：
- 尝试获取锁。
- 尝试获取失败，将当前线程构成Node加入Sync队列。
- 再次尝试获取，若获取失败线程进入等待态，等待唤醒。
tryAcquire(arg)
公平锁尝试获取，在FairSync里实现，获取同步状态成功返回true，不然返回false
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取同步状态
int c = getState();
//同步状态为0，没有其余线程占据锁
if (c == 0) {
//检测同步队列没有其余线程等待(确保公平性)，若是没有获取锁就以CAS方式尝试改变同步状态
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//设置锁的拥有者为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//同步状态不为0，检测是不是当前线程拥有锁
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//当前线程拥有锁，直接更新同步状态，重入锁
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
- hasQueuedPredecessors()
hasQueuedPredecessors是AQS中的方法，检测同步队列有没有等待获取锁的线程，保证公平性。
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
//同步队列尾节点
Node t = tail;
//同步队列头节点
Node h = head;
Node s;
//h!=t 头节点和尾节点不一样，说明同步队列不为空
//同步队列不为空，检测下一个等待获取锁的线程(h.next.thread)是否是当前线程
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
- compareAndSetState(int expect, int update)
compareAndSetState()在AQS中实现。compareAndSwapInt() 是sun.misc.Unsafe类中的一个native方法,若是当前状态值等于预期值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
- setExclusiveOwnerThread(Thread thread) & getExclusiveOwnerThread()
setExclusiveOwnerThread和getExclusiveOwnerThread都是AQS父类AbstractOwnableSynchronizer的方法，setExclusiveOwnerThread用于设置线程t为当前拥有独占锁的线程。getExclusiveOwnerThread用于得到当前占据独占锁的线程
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
addWaiter(Node mode)
addWaiter在AQS中实现，以当前线程构成节点加入到同步队列末尾，并返回这个节点Node。
private Node addWaiter(Node mode) {
//以当前线程和给定模式构成节点Node
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 同步队列不为空，以CAS方式把当前线程加入到队列末尾
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//队列为空，创建同步队列，再把当前线程加入同步队列
enq(node);
return node;
}
- compareAndSetTail(Node expect, Node update)
compareAndSetTail是AQS中的方法，调用本地native方法，若是同步队列队尾是expect节点，就把update节点添加到队列末尾，这是一个原子操做。
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}
- enq(final Node node)
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
acquireQueued(final Node node, int arg)
若是当前线程的节点的前驱结点，就去尝试获取同步状态，若是不是或者获取失败根据waitStatus对同步队列进行清理：把waitStatus为CANCELLED从同步队列清除，修改错误的waitStatus，而后把线程堵塞，返回当前线程是否被中断。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//当前节点的前驱结点
final Node p = node.predecessor();
//前驱结点是head头节点，尝试获取同步状态
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
- shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
前驱结点不是head头节点或尝试获取同步状态失败之后，并非立刻把当前线程线程堵塞，还要检测同步队列前驱结点的状态，检查规则以下：
- 若是前驱节点状态为SIGNAL，代表当前节点须要被堵塞，此时则返回true。
- 若是前驱节点状态为CANCELLED(ws>0)，说明前继节点已经被取消，则从后往前找到一个有效(非CANCELLED状态)的节点，并返回false；以后无限循环直到步骤1返回true，线程阻塞。
- 若是前驱节点状态为非SIGNAL、非CANCELLED，则CAS设置前驱节点的状态为SIGNAL，并返回false；以后无限循环直到步骤1返回true，线程阻塞。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
- parkAndCheckInterrupt()
把当前线程堵塞并检查是否有中断。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
锁的释放
ReentrantLock公平锁与非公平锁的释放机制是同样的，释放锁方法以下：
public void unlock() {
sync.release(1);
}
unlock方法调用的release方法是在AQS中实现的,这里的1相似于acquire(1),适用于用来设置同步状态的，释放锁时会把同步状态减1。release方法会先调用tryRelease来尝试释放当前线程锁持有的锁。成功的话，则唤醒后继等待线程，并返回true。不然，直接返回false
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
tryRelease(int releases)
tryRelease尝试获取锁，当同步状态为0时清空占据锁的线程，返回true；若是同步状态不为0返回false，由于ReentrantLock是重入锁，只有完全释放tryRelease才会返回true。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// c是本次释放锁以后的同步状态
int c = getState() - releases;
//当前线程不是锁的拥有者，抛出IllegalMonitorStateException异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//若是“锁”已经被当前线程完全释放，则设置“锁”的持有者为null，即锁是可获取状态。
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
unparkSuccessor(Node node)
当前线程释放锁成功的话，会唤醒当前线程的后继线程。从aquireQueued方法能够看出，一旦头结点的后继结点被唤醒，那么后继结点就尝试去获取锁，若是获取成功就将头结点设置为自身，并将前一个头节点清空。
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 获取当前线程(要释放锁)的等待状态
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
//设置为初始状态
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//同步队列头节点的下一个等待节点
Node s = node.next;
//等待节点无效，从同步节点尾部开始遍历找到有效的等待节点
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;
}
//唤醒等待节点的线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
非公平锁的获取
NonfairSync类中lock()实现,首先尝试用CAS更改同步状态，若是成功，把当前线程设置为独占锁的拥有者；而后调用acquire(1)方法。
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
acquire方法除了tryAcquire是由AQS的子类实现的，其余方法都是在AQS类实现的，tryAcquire的实现机制不一样体现了公平锁与非公平锁的不一样。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
ReentrantLock中的NonfairSync的tryAcquire方法，调用了nonfairTryAcquire方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
nonfairTryAcquire(int acquires)
非公平锁的尝试获取锁时，若是同步状态为0，即没有其余线程获取到锁，当前线程直接以CAS方式改变同步状态，不会去同步队列找是否有其余线程早于当前线程等在同步队列中，效率较高。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//同步状态为0，尝试以CAS方式改变同步状态
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//重入锁
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
总结
本文介绍了ReentrantLock基于AQS同步器实现的公平锁和非公平锁的获取和释放，基于CAS改变同步状态是得到独占锁的基础，为了不多个线程同时对进行竞争，在AQS中维护了FIFO的同步队列，当独占锁释放时，AQS同步器调度同步队列队首等待节点的线程去获取锁，有效避免了海量竞争独占锁形成资源的浪费，是一个很是巧妙的方法。
- 1. java多线程学习笔记 --五.AQS
- 2. 多线程学习笔记四之Condition实现分析
- 3. 多线程学习笔记五之读写锁实现分析
- 4. ReentrantLock实现-学习笔记
- 5. 多线程学习篇之AQS解析和相关实现
- 6. JAVA多线程之AQS的实现重入锁ReentrantLock
- 7. AQS实现原理分析——ReentrantLock
- 8. AQS与ReentrantLock学习总结
- 9. 多线程学习笔记八之线程池ThreadPoolExecutor实现分析
- 10. Java多线程之ReentrantLock实现原理和源码分析（二）
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