【并发编程】ReentrantLock

发布时间:2022-06-23 发布网站:脚本宝典
脚本宝典收集整理的这篇文章主要介绍了【并发编程】ReentrantLock脚本宝典觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。

一。aqs

  AQS全称是AbstractQueuedSynchronizer,是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架。

  特点:

    用 state 属性来表示资源的状态(分独占模式和共享模式),子类需要定义如何维护这个状态,控制如何获取 锁和释放锁

      getState - 获取 state 状态

      setState - 设置 state 状态

      compareAndSetState - cas 机制设置 state 状态

      独占模式是只有一个线程能够访问资源,而共享模式可以允许多个线程访问资源

    提供了基于 FIFO 的等待队列,类似于 Monitor 的 EntryList

    条件变量来实现等待、唤醒机制,支持多个条件变量,类似于 Monitor 的 WaitSet

  子类主要实现这样一些方法(默认抛出 UnsupportedOperationException)

    tryAcquire

    tryRelease

    tryAcquireShared

    tryReleaseShared

    isHeldExclusively

【并发编程】ReentrantLock

 

 

 二。ReentrantLock非公平锁实现

  非公平锁就是在线程抢占锁时没有按照先后顺序执行。

  当没有竞争时,该锁的owner为当前线程,state=1代表有线程正在占用锁。

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   当有竞争出现时CAS 尝试将 state 由 0 改为 1,结果失败,进入 tryAcquire 逻辑,这时 state 已经是1,结果仍然失败,接下来进入 addWaiter 逻辑,构造 Node 队列:

  图中黄色三角表示该 Node 的 waitStatus 状态,其中 0 为默认正常状态

  Node 的创建是懒惰的。

  其中第一个 Node 称为 Dummy(哑元)或哨兵,用来占位,并不关联线程

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   当前线程进入 acquireQueued 逻辑

  1. acquireQueued 会在一个死循环中不断尝试获得锁,失败后进入 park 阻塞

  2. 如果自己是紧邻着 head(排第二位),那么再次 tryAcquire 尝试获取锁,当然这时 state 仍为 1,失败

  3. 进入 shouldParkAfterFailedAcquire 逻辑,将前驱 node,即 head 的 waitStatus 改为 -1,这次返回 false

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   4. shouldParkAfterFailedAcquire 执行完毕回到 acquireQueued ,再次 tryAcquire 尝试获取锁,当然这时 state 仍为 1,失败

  5. 当再次进入 shouldParkAfterFailedAcquire 时,这时因为其前驱 node 的 waitStatus 已经是 -1,这次返回 true

  6. 进入 parkAndCheckInterrupt, Thread-1 park(灰色表示)

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   再次有多个线程经历上述过程竞争失败,变成这个样子

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   Thread-0 释放锁,进入 tryRelease 流程,如果成功

  设置 exclusiveOwnerThread 为 null ,state = 0

  当前队列不为 null,并且 head 的 waitStatus = -1,进入 unparkSuccessor 流程 找到队列中离 head 最近的一个 Node(没取消的),unpark 恢复其运行,本例中即为 Thread-1 回到 Thread-1 的 acquireQueued 流程

【并发编程】ReentrantLock

 

 

   如果加锁成功(没有竞争),会设置

    exclusiveOwnerThread 为 Thread-1,state = 1

    head 指向刚刚 Thread-1 所在的 Node,该 Node 清空 Thread

    原本的 head 因为从链表断开,而可被垃圾回收 如果这时候有其它线程来竞争(非公平的体现),例如这时有 Thread-4 来了

【并发编程】ReentrantLock

 

 

   如果不巧又被 Thread-4 占了先

    Thread-4 被设置为 exclusiveOwnerThread,state = 1

    Thread-1 再次进入 acquireQueued 流程,获取锁失败,重新进入 park 阻塞

  加锁源码:

【并发编程】ReentrantLock

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// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
 private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

 // 加锁实现
 final void lock() {
 // 首先用 cas 尝试(仅尝试一次)将 state 从 0 改为 1, 如果成功表示获得了独占锁
 if (compareAndSetState(0, 1))
 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
 else
 // 如果尝试失败,进入 ㈠
 acquire(1);
 }

 // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 public final void acquire(int arg) {
 // ㈡ tryAcquire
 if (
 !tryAcquire(arg) &&
 // 当 tryAcquire 返回为 false 时, 先调用 addWaiter ㈣, 接着 acquireQueued ㈤
 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
 ) {
 selfInterrupt();
 }
 }

 // ㈡ 进入 ㈢
 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 return nonfairTryAcquire(acquires);
 }

 // ㈢ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
 final Thread current = Thread.currentThread();
 int c = getState();
 // 如果还没有获得锁
 if (c == 0) {
 // 尝试用 cas 获得, 这里体现了非公平性: 不去检查 AQS 队列
 if (compareAndSetState(0, acquires)) {
 setExclusiveOwnerThread(current);
 return true;
 }
 }
 // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
 // state++
 int nextc = c + acquires;
 if (nextc < 0) // overflow
 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 setState(nextc);
 return true;
 }
 // 获取失败, 回到调用处
 return false;
 }

 // ㈣ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 private Node addWaiter(Node mode) {
 // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式
 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 // 如果 tail 不为 null, cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
 Node pred = tail;
 if (pred != null) {
 node.prev = pred;
 if (compareAndSetTail(pred, node)) {
 // 双向链表
 pred.next = node;
 return node;
 }
 }
 // 尝试将 Node 加入 AQS, 进入 ㈥
 enq(node);
 return node;
 }

 // ㈥ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 private Node enq(final Node node) {
 for (;;) {
 Node t = tail;
 if (t == null) {
 // 还没有, 设置 head 为哨兵节点(不对应线程,状态为 0)
 if (compareAndSetHead(new Node())) {
 tail = head;
 }
 } else {
 // cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
 node.prev = t;
 if (compareAndSetTail(t, node)) {
 t.next = node;
 return t;
 }
 }
 }
 }

 // ㈤ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
 boolean failed = true;
 try {
 boolean interrupted = false;
 for (;;) {
 final Node p = node.predecessor();
 // 上一个节点是 head, 表示轮到自己(当前线程对应的 node)了, 尝试获取
 if (p == head && tryAcquire(arg)) {
 // 获取成功, 设置自己(当前线程对应的 node)为 head
 setHead(node);
 // 上一个节点 help GC
 p.next = null;
 failed = false;
 // 返回中断标记 false
 return interrupted;
 }
 if (
 // 判断是否应当 park, 进入 ㈦
 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
 // park 等待, 此时 Node 的状态被置为 Node.SIGNAL ㈧
 parkAndCheckInterrupt()
 ) {
 interrupted = true;
 }
 }
 } finally {
 if (failed)
 cancelAcquire(node);
 }
 }

 // ㈦ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
 // 获取上一个节点的状态
 int ws = pred.waitStatus;
 if (ws == Node.SIGNAL) {
 // 上一个节点都在阻塞, 那么自己也阻塞好了
 return true;
 }
 // > 0 表示取消状态
 if (ws > 0) {
 // 上一个节点取消, 那么重构删除前面所有取消的节点, 返回到外层循环重试
 do {
 node.prev = pred = pred.prev;
 } while (pred.waitStatus > 0);
 pred.next = node;
 } else {
 // 这次还没有阻塞
 // 但下次如果重试不成功, 则需要阻塞,这时需要设置上一个节点状态为 Node.SIGNAL
 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
 }
 return false;
 }

 // ㈧ 阻塞当前线程
 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
 LockSupport.park(this);
 return Thread.interrupted();
 }
}
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  解锁源码:

【并发编程】ReentrantLock

【并发编程】ReentrantLock

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
 // 解锁实现
 public void unlock() {
 sync.release(1);
 }

 // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 public final boolean release(int arg) {
 // 尝试释放锁, 进入 ㈠
 if (tryRelease(arg)) {
 // 队列头节点 unpark
 Node h = head;
 if (
 // 队列不为 null
 h != null &&
 // waitStatus == Node.SIGNAL 才需要 unpark
 h.waitStatus != 0
 ) {
 // unpark AQS 中等待的线程, 进入 ㈡
 unparkSuccessor(h);
 }
 return true;
 }
 return false;
 }

 // ㈠ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 protected final boolean tryRelease(int releases) {
 // state--
 int c = getState() - releases;
 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
 throw new IllegalMonitorStateException();
 boolean free = false;
 // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才释放成功
 if (c == 0) {
 free = true;
 setExclusiveOwnerThread(null);
 }
 setState(c);
 return free;
 }

 // ㈡ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 private void unparkSuccessor(Node node) {
 // 如果状态为 Node.SIGNAL 尝试重置状态为 0
 // 不成功也可以
 int ws = node.waitStatus;
 if (ws < 0) {
 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
 }
 // 找到需要 unpark 的节点, 但本节点从 AQS 队列中脱离, 是由唤醒节点完成的
 Node s = node.next;
 // 不考虑已取消的节点, 从 AQS 队列从后至前找到队列最前面需要 unpark 的节点
 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;
 }
 if (s != null)
 LockSupport.unpark(s.thread);
 }
}
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三。条件变量实现原理

  每个条件变量其实就对应着一个等待队列,其实现类是 ConditionObject

  await 流程:

  开始 Thread-0 持有锁,调用 await,进入 ConditionObject 的 addConditionWaiter 流程 创建新的 Node 状态为 -2(Node.CONDITION),关联 Thread-0,加入等待队列尾部

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   接下来进入 AQS 的 fullyRelease 流程,释放同步器上的锁

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   unpark AQS 队列中的下一个节点,竞争锁,假设没有其他竞争线程,那么 Thread-1 竞争成功

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   park 阻塞 Thread-0

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   signal 流程

  假设 Thread-1 要来唤醒 Thread-0

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   进入 ConditionObject 的 doSignal 流程,取得等待队列中第一个 Node,即 Thread-0 所在 Node

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   执行 transferForSignal 流程,将该 Node 加入 AQS 队列尾部,将 Thread-0 的 waitStatus 改为 0,Thread-3 的 waitStatus 改为 -1

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 四。读写锁原理

  读写锁用的是同一个 Sycn 同步器,因此等待队列、state 等也是同一个

  t1 w.lock,t2 r.lock

  1) t1 成功上锁,流程与 ReentrantLock 加锁相比没有特殊之处,不同是写锁状态占了 state 的低 16 位,而读锁 使用的是 state 的高 16 位

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   2)t2 执行 r.lock,这时进入读锁的 sync.acquireShared(1) 流程,首先会进入 tryAcquireShared 流程。如果有写 锁占据,那么 tryAcquireShared 返回 -1 表示失败

  tryAcquireShared 返回值表示

    -1 表示失败 

    0 表示成功,但后继节点不会继续唤醒

    正数表示成功,而且数值是还有几个后继节点需要唤醒,读写锁返回 1

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   3)这时会进入 sync.doAcquireShared(1) 流程,首先也是调用 addWaiter 添加节点,不同之处在于节点被设置为 Node.SHARED 模式而非 Node.EXCLUSIVE 模式,注意此时 t2 仍处于活跃状态.

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  4)t2 会看看自己的节点是不是老二,如果是,还会再次调用 tryAcquireShared(1) 来尝试获取锁

  5)如果没有成功,在 doAcquireShared 内 for (;;) 循环一次,把前驱节点的 waitStatus 改为 -1,再 for (;;) 循环一 次尝试 tryAcquireShared(1) 如果还不成功,那么在 parkAndCheckInterrupt() 处 park

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   t3 r.lock,t4 w.lock

  这种状态下,假设又有 t3 加读锁和 t4 加写锁,这期间 t1 仍然持有锁,就变成了下面的样子

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   t1 w.unlock

  这时会走到写锁的 sync.release(1) 流程,调用 sync.tryRelease(1) 成功,变成下面的样子

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   接下来执行唤醒流程 sync.unparkSuccessor,即让老二恢复运行,这时 t2 在 doAcquireShared 内 parkAndCheckInterrupt() 处恢复运行

  这回再来一次 for (;;) 执行 tryAcquireShared 成功则让读锁计数加一

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   这时 t2 已经恢复运行,接下来 t2 调用 setHeadAndPropagate(node, 1),它原本所在节点被置为头节点

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   事情还没完,在 setHeadAndPropagate 方法内还会检查下一个节点是否是 shared,如果是则调用 doReleaseShared() 将 head 的状态从 -1 改为 0 并唤醒老二,这时 t3 在 doAcquireShared 内 parkAndCheckInterrupt() 处恢复运行

【并发编程】ReentrantLock

 

   这回再来一次 for (;;) 执行 tryAcquireShared 成功则让读锁计数加一

【并发编程】ReentrantLock

 

   这时 t3 已经恢复运行,接下来 t3 调用 setHeadAndPropagate(node, 1),它原本所在节点被置为头节点

【并发编程】ReentrantLock

 

   下一个节点不是 shared 了,因此不会继续唤醒 t4 所在节点

  t2 r.unlock,t3 r.unlock

  t2 进入 sync.releaseShared(1) 中,调用 tryReleaseShared(1) 让计数减一,但由于计数还不为零

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   t3 进入 sync.releaseShared(1) 中,调用 tryReleaseShared(1) 让计数减一,这回计数为零了,进入 doReleaseShared() 将头节点从 -1 改为 0 并唤醒老二,即

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   之后 t4 在 acquireQueued 中 parkAndCheckInterrupt 处恢复运行,再次 for (;;) 这次自己是老二,并且没有其他 竞争,tryAcquire(1) 成功,修改头结点,流程结束

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脚本宝典总结

以上是脚本宝典为你收集整理的【并发编程】ReentrantLock全部内容,希望文章能够帮你解决【并发编程】ReentrantLock所遇到的问题。

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