ReentrantLock重入锁底层原理示例解析
目录
- J.U.C 简介
- Lock
- Lock 简介
- Lock 的实现
- Lock 的类关系图
- 常用API
- ReentrantLock 重入锁
- 重入锁的设计目的
- ReentrantLock 的使用案例
- ReentrantReadWriteLock
- ReentrantLock 的实现原理
- AQS 是什么
- AQS 的两种功能
- AQS 的内部实现
- Node 的组成
- 释放锁以及添加线程对于队列的变化
- ReentrantLock 的源码分析
- ReentrantLock 的时序图
- NofairSync.lock
- CAS 的实现原理
J.U.C 简介
Java.util.concurrent 是在并发编程中比较常用的工具类,里面包含很多用来在并发场景中使用的组件。比如线程池、阻塞队列、计时器、同步器、并发集合等等。并发包的作者是大名鼎鼎的 Doug Lea。
Lock
Lock 在 J.U.C 中是最核心的组件,锁最重要的特性就是解决并发安全问题。为什么要以 Lock 作为切入点呢?
如果你有看过 J.U.C 包中的所有组件,一定会发现绝大部分的组件都有用到了 Lock。所以通过 Lock 作为切入点使得在后续的学习过程中会更加轻松。
Lock 简介
在 Lock 接口出现之前,Java 中的应用程序对于多线程的并发安全处理只能基于 synchronized 关键字来解决。但是 synchronized 在有些场景中会存在一些短板,也就是它并不适合于所有的并发场景。但是在 Java5 以后,Lock 的出现可以解决 synchronized 在某些场景中的短板,它比 synchronized 更加灵活。
Lock 的实现
Lock 本质上是一个接口,它定义了释放锁和获得锁的抽象方法,定义成接口就意味着它定义了锁的一个标准规范,也同时意味着锁的不同实现。
实现 Lock 接口的类有很多,以下为几个常见的锁实现
- ReentrantLock:表示重入锁,它是唯一一个实现了 Lock 接口的类。重入锁指的是线程在获得锁之后,再次获取该锁不需要阻塞,而是直接关联一次计数器增加重入次数
- ReentrantReadWriteLock:重入读写锁,它实现了 ReadWriteLock 接口,在这个类中维护了两个锁,一个是 ReadLock,一个是 WriteLock,他们都分别实现了 Lock 接口。读写锁是一种适合读多写少的场景下解决线程安全问题的工具,基本原则是: 读和读不互斥、读和写互斥、写和写互斥。也就是说涉及到影响数据变化的操作都会存在互斥。
- StampedLock: stampedLock 是 JDK8 引入的新的锁机制,可以简单认为是读写锁的一个改进版本,读写锁虽然通过分离读和写的功能使得读和读之间可以完全并发,但是读和写是有冲突的,如果大量的读线程存在,可能会引起写线程的饥饿。stampedLock 是一种乐观的读策略,使得乐观锁完全不会阻塞写线程
Lock 的类关系图
Lock 有很多的锁的实现,但是直观的实现是 ReentrantLock 重入锁
常用API
void lock() // 如果锁可用就获得锁,如果锁不可用就阻塞直到锁释放 void lockInterruptibly() // 和lock()方法相似, 但阻塞的线程可中断,抛出java.lang.InterruptedException 异常 boolean tryLock() // 非阻塞获取锁;尝试获取锁,如果成功返回 true boolean tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit) //带有超时时间的获取锁方法 void unlock() // 释放锁
ReentrantLock 重入锁
重入锁,表示支持重新进入的锁,也就是说,如果当前线程 t1 通过调用 lock 方法获取了锁之后,再次调用 lock,是不会再阻塞去获取锁的,直接增加重试次数就行了。synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。那为什么锁会存在重入的特性?假如在下面这类的场景中,存在多个加锁的方法的相互调用,其实就是一种重入特性的场景。
重入锁的设计目的
比如调用 demo 方法获得了当前的对象锁,然后在这个方法中再去调用demo2,demo2 中的存在同一个实例锁,这个时候当前线程会因为无法获得demo2 的对象锁而阻塞,就会产生死锁。重入锁的设计目的是避免线程的死锁。
public class ReentrantDemo { public synchronized void demo() { System.out.println("begin:demo"); demo2(); } public void demo2() { System.out.println("begin:demo1"); synchronized (this) { } } public static void main(String[] args) { ReentrantDemo rd = new ReentrantDemo(); new Thread(rd::demo).start(); } }
ReentrantLock 的使用案例
public class AtomicDemo { private static int count = 0; static Lock lock = new ReentrantLock(); public static void inc() { lock.lock(); try { Thread.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } count++; lock.unlock(); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { for (int i = 0; i < 1000; i++) { new Thread(() -> { AtomicDemo.inc(); }).start(); ; } Thread.sleep(3000); System.out.println("result:" + count); } }
ReentrantReadWriteLock
我们以前理解的锁,基本都是排他锁,也就是这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问,而读写所在同一时刻可以允许多个线程访问,但是在写线程访问时,所有的读线程和其他写线程都会被阻塞。读写锁维护了一对锁,一个读锁、一个写锁; 一般情况下,读写锁的性能都会比排它锁好,因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下,读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。
public class LockDemo { static Map<String, Object> cacheMap = new HashMap<>(); static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); static Lock read = rwl.readLock(); static Lock write = rwl.writeLock(); public static final Object get(String key) { System.out.println("开始读取数据"); read.lock(); //读锁 try { return cacheMap.get(key); } finally { read.unlock(); } } public static final Object put(String key, Object value) { write.lock(); System.out.println("开始写数据"); try { return cacheMap.put(key, value); } finally { write.unlock(); } } }
在这个案例中,通过 hashmap 来模拟了一个内存缓存,然后使用读写所来保证这个内存缓存的线程安全性。当执行读操作的时候,需要获取读锁,在并发访问的时候,读锁不会被阻塞,因为读操作不会影响执行结果。
在执行写操作是,线程必须要获取写锁,当已经有线程持有写锁的情况下,当前线程会被阻塞,只有当写锁释放以后,其他读写操作才能继续执行。使用读写锁提升读操作的并发性,也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性。
- 读锁与读锁可以共享
- 读锁与写锁不可以共享(排他)
- 写锁与写锁不可以共享(排他)
ReentrantLock 的实现原理
我们知道锁的基本原理是,基于将多线程并行任务通过某一种机制实现线程的串行执行,从而达到线程安全性的目的。在 synchronized 中,我们分析了偏向锁、轻量级锁、乐观锁。基于乐观锁以及自旋锁来优化了 synchronized 的加锁开销,同时在重量级锁阶段,通过线程的阻塞以及唤醒来达到线程竞争和同步的目的。那么在 ReentrantLock 中,也一定会存在这样的需要去解决的问题。就是在多线程竞争重入锁时,竞争失败的线程是如何实现阻塞以及被唤醒的呢?
AQS 是什么
在 Lock 中,用到了一个同步队列 AQS,全称 AbstractQueuedSynchronizer,它是一个同步工具也是 Lock 用来实现线程同步的核心组件。如果你搞懂了 AQS,那么 J.U.C 中绝大部分的工具都能轻松掌握。
AQS 的两种功能
从使用层面来说,AQS 的功能分为两种:独占和共享 独占锁,每次只能有一个线程持有锁,比如前面给大家演示的 ReentrantLock 就是 以独占方式实现的互斥锁 共享锁,允许多个线程同时获取锁,并发访问共享资源,比如 ReentrantReadWriteLock
AQS 的内部实现
AQS 队列内部维护的是一个 FIFO 的双向链表,这种结构的特点是每个数据结构都有两个指针,分别指向直接的后继节点和直接前驱节点。所以双向链表可以从任意一个节点开始很方便的访问前驱和后继。每个 Node 其实是由线程封装,当线程争抢锁失败后会封装成 Node 加入到 ASQ 队列中去;当获取锁的线程释放锁以后,会从队列中唤醒一个阻塞的节点(线程)。
Node 的组成
释放锁以及添加线程对于队列的变化
当出现锁竞争以及释放锁的时候,AQS 同步队列中的节点会发生变化,首先看一下添加节点的场景。
这里会涉及到两个变化
- 新的线程封装成 Node 节点追加到同步队列中,设置 prev 节点以及修改当前节点的前置节点的 next 节点指向自己
- 通过 CAS 讲 tail 重新指向新的尾部节点
head 节点表示获取锁成功的节点,当头结点在释放同步状态时,会唤醒后继节点,如果后继节点获得锁成功,会把自己设置为头结点,节点的变化过程如下
这个过程也是涉及到两个变化
- 修改 head 节点指向下一个获得锁的节点
- 新的获得锁的节点,将 prev 的指针指向 null
设置 head 节点不需要用 CAS,原因是设置 head 节点是由获得锁的线程来完成的,而同步锁只能由一个线程获得,所以不需要 CAS 保证,只需要把 head 节点设置为原首节点的后继节点,并且断开原 head 节点的 next 引用即可
ReentrantLock 的源码分析
以 ReentrantLock 作为切入点,来看看在这个场景中是如何使用 AQS 来实现线程的同步的
ReentrantLock 的时序图
调用 ReentrantLock 中的 lock() 方法,源码的调用过程我使用了时序图来展现。
ReentrantLock.lock() 这个是 reentrantLock 获取锁的入口
public void lock() { sync.lock(); }
sync 实际上是一个抽象的静态内部类,它继承了 AQS 来实现重入锁的逻辑,我们前面说过 AQS 是一个同步队列,它能够实现线程的阻塞以及唤醒,但它并不具备业务功能,所以在不同的同步场景中,会继承 AQS 来实现对应场景的功能,Sync 有两个具体的实现类,分别是:
- NofairSync:表示可以存在抢占锁的功能,也就是说不管当前队列上是否存在其他线程等待,新线程都有机会抢占锁
- FailSync: 表示所有线程严格按照 FIFO 来获取锁
NofairSync.lock
以非公平锁为例,来看看 lock 中的实现
- 非公平锁和公平锁最大的区别在于,在非公平锁中我抢占锁的逻辑是,不管有没有线程排队,我先上来 cas 去抢占一下
- CAS 成功,就表示成功获得了锁
- CAS 失败,调用 acquire(1) 走锁竞争逻辑
final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); }
CAS 的实现原理
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); }
通过 cas 乐观锁的方式来做比较并替换,这段代码的意思是,如果当前内存中的 state 的值和预期值 expect 相等,则替换为 update。更新成功返回 true,否则返回 false。
这个操作是原子的,不会出现线程安全问题,这里面涉及到Unsafe这个类的操作,以及涉及到 state 这个属性的意义。 state 是 AQS 中的一个属性,它在不同的实现中所表达的含义不一样,对于重入锁的实现来说,表示一个同步状态。它有两个含义的表示
- 当 state=0 时,表示无锁状态
- 当 state>0 时,表示已经有线程获得了锁,也就是 state=1,但是因为ReentrantLock 允许重入,所以同一个线程多次获得同步锁的时候,state 会递增,比如重入 5 次,那么 state=5。而在释放锁的时候,同样需要释放 5 次直到 state=0其他线程才有资格获得锁
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