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图解Java ReentrantLock公平锁和非公平锁的实现

来源:互联网 收集:自由互联 发布时间:2023-01-30
目录 概述 RenentrantLock原理概述 非公平锁实现 演示 加锁原理 释放锁原理 公平锁实现 演示 原理实现 总结 概述 ReentrantLock是Java并发中十分常用的一个类,具备类似synchronized锁的作用。但
目录
  • 概述
  • RenentrantLock原理概述
  • 非公平锁实现
    • 演示
    • 加锁原理
    • 释放锁原理
  • 公平锁实现
    • 演示
    • 原理实现
  • 总结

    概述

    ReentrantLock是Java并发中十分常用的一个类,具备类似synchronized锁的作用。但是相比synchronized, 它具备更强的能力,同时支持公平锁和非公平锁。

    公平锁: 指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁,线程直接进入队列中排队,队列中的第一个线程才能获得锁。

    非公平锁: 多个线程加锁时直接尝试获取锁,能抢到锁到直接占有锁,抢不到才会到等待队列的队尾等待。

    那ReentrantLock中具体是怎么实现公平和非公锁的呢?它们之间又有什么优缺点呢?本文就带大家一探究竟。

    RenentrantLock原理概述

    上面是RenentrantLock的类结构图。

    • RenentrantLock实现了Lock接口,Lock接口提供了锁的通用api,比如加锁lock,解锁unlock等操作。
    • RenentrantLock底层加锁是通过AQS实现的,两个内部类FairSync服务于公平锁,NofaireSync服务于非公平锁的实现,他们统一继承自AQS。

    ReentrantLock 类 API:

    public void lock():获得锁

    如果锁没有被另一个线程占用,则将锁定计数设置为 1

    如果当前线程已经保持锁定,则保持计数增加 1

    如果锁被另一个线程保持,则当前线程被禁用线程调度,并且在锁定已被获取之前处于休眠状态

    public void unlock():尝试释放锁

    如果当前线程是该锁的持有者,则保持计数递减

    如果保持计数现在为零,则锁定被释放

    如果当前线程不是该锁的持有者,则抛出异常

    关于AQS的原理, 强烈大家阅读深入浅出理解Java并发AQS的独占锁模式

    非公平锁实现

    演示

    @Test
    public void testUnfairLock() throws InterruptedException {
        // 无参构造函数,默认创建非公平锁模式
        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadNum = i;
            new Thread(() -> {
                reentrantLock.lock();
                try {
                    System.out.println("线程" + threadNum + "获取锁");
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // finally中解锁
                    reentrantLock.unlock();
                    System.out.println("线程" + threadNum +"释放锁");
                }
            }).start();
            Thread.sleep(999);
        }
    
        Thread.sleep(100000);
    }

    运行结果:

    线程0获取锁
    线程0释放锁
    线程1获取锁
    线程1释放锁
    线程3获取锁
    线程3释放锁
    线程2获取锁
    线程2释放锁
    线程5获取锁
    线程5释放锁
    线程4获取锁
    线程4释放锁
    ....

    • 默认构造函数创建的是非公平锁
    • 运行结果可以看到线程3优先于线程2获取锁(这个结果是人为造的,很难模拟出来)。

    加锁原理

    1.构造函数创建锁对象

    public ReentrantLock() {
     	sync = new NonfairSync();
    }

    默认构造函数,创建了NonfairSync,非公平锁同步器,它是继承自AQS.

    2.第一个线程加锁时,不存在竞争,如下图:

    // ReentrantLock.NonfairSync#lock
    final void lock() {
        // 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))
            // 设置当前线程为独占线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);//失败进入
    }

    • cas修改state从0到1,获取锁
    • 设置锁对象的线程为当前线程

    3.第二个线程申请加锁时,出现锁竞争,如下图:

    Thread-1 执行,CAS 尝试将 state 由 0 改为 1,结果失败(第一次),进入 acquire 逻辑

    // AbstractQueuedSynchronizer#acquire
    public final void acquire(int arg) {
        // tryAcquire 尝试获取锁失败时, 会调用 addWaiter 将当前线程封装成node入队,acquireQueued 阻塞当前线程,
        // acquireQueued 返回 true 表示挂起过程中线程被中断唤醒过,false 表示未被中断过
        if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            // 如果线程被中断了逻辑来到这,完成一次真正的打断效果
            selfInterrupt();
    }

    调用tryAcquire方法尝试获取锁,这里由子类NonfairSync实现。

    如果tryAcquire获取锁失败,通过addWaiter方法将当前线程封装成节点,入队

    acquireQueued方法会将当前线程阻塞

    // ReentrantLock.NonfairSync#tryAcquire
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
    // 抢占成功返回 true,抢占失败返回 false
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // state 值
        int c = getState();
        // 条件成立说明当前处于【无锁状态】
        if (c == 0) {
            //如果还没有获得锁,尝试用cas获得,这里体现非公平性: 不去检查 AQS 队列是否有阻塞线程直接获取锁        
        	if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 获取锁成功设置当前线程为独占锁线程。
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
             }    
    	} 
        // 这部分是重入锁的原理    
       	// 如果已经有线程获得了锁, 独占锁线程还是当前线程, 表示【发生了锁重入】
    	else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 更新锁重入的值
            int nextc = c + acquires;
            // 越界判断,当重入的深度很深时,会导致 nextc < 0,int值达到最大之后再 + 1 变负数
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 更新 state 的值,这里不使用 cas 是因为当前线程正在持有锁,所以这里的操作相当于在一个管程内
            setState(nextc);
            return true;
        }
        // 获取失败
        return false;
    }

    正是这个方法体现了非公平锁,在nonfairTryAcquire如果发现state=0,无锁的情况,它会忽略队列中等待的线程,优先获取一次锁,相当于"插队"。

    4.第二个线程tryAcquire申请锁失败,通过执行addWaiter方法加入到队列中。

    • 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。
    // AbstractQueuedSynchronizer#addWaiter,返回当前线程的 node 节点
    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);
        Node pred = tail;
        // 快速入队,如果 tail 不为 null,说明存在阻塞队列
        if (pred != null) {
            // 将当前节点的前驱节点指向 尾节点
            node.prev = pred;
            // 通过 cas 将 Node 对象加入 AQS 队列,成为尾节点,【尾插法】
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;// 双向链表
                return node;
            }
        }
        // 初始时队列为空,或者 CAS 失败进入这里
        enq(node);
        return node;
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer#enq
    private Node enq(final Node node) {
        // 自旋入队,必须入队成功才结束循环
        for (;;) {
            Node t = tail;
            // 说明当前锁被占用,且当前线程可能是【第一个获取锁失败】的线程,【还没有建立队列】
            if (t == null) {
                // 设置一个【哑元节点】,头尾指针都指向该节点
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                // 自旋到这,普通入队方式,首先赋值尾节点的前驱节点【尾插法】
                node.prev = t;
                // 【在设置完尾节点后,才更新的原始尾节点的后继节点,所以此时从前往后遍历会丢失尾节点】
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    //【此时 t.next  = null,并且这里已经 CAS 结束,线程并不是安全的】
                    t.next = node;
                    return t;	// 返回当前 node 的前驱节点
                }
            }
        }
    }

    5.第二个线程加入队列后,现在要做的是想办法阻塞线程,不让它执行,就看acquireQueued的了。

    • 图中黄色三角表示该 Node 的 waitStatus 状态,0 为默认正常状态, 但是-1状态表示它肩负唤醒下一个节点的线程。
    • 灰色表示线程阻塞了。
    inal boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        // true 表示当前线程抢占锁失败,false 表示成功
        boolean failed = true;
        try {
            // 中断标记,表示当前线程是否被中断
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                // 获得当前线程节点的前驱节点
                final Node p = node.predecessor();
                // 前驱节点是 head, FIFO 队列的特性表示轮到当前线程可以去获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 获取成功, 设置当前线程自己的 node 为 head
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    // 表示抢占锁成功
                    failed = false;
                    // 返回当前线程是否被中断
                    return interrupted;
                }
                // 判断是否应当 park,返回 false 后需要新一轮的循环,返回 true 进入条件二阻塞线程
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                    // 条件二返回结果是当前线程是否被打断,没有被打断返回 false 不进入这里的逻辑
                    // 【就算被打断了,也会继续循环,并不会返回】
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            // 【可打断模式下才会进入该逻辑】
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    • acquireQueued 会在一个自旋中不断尝试获得锁,失败后进入 park 阻塞
    • 如果当前线程是在 head 节点后,也就是第一个节点,又会直接多一次机会 tryAcquire 尝试获取锁,如果还是被占用,会返回失败。
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        // 表示前置节点是个可以唤醒当前节点的节点,返回 true
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        // 前置节点的状态处于取消状态,需要【删除前面所有取消的节点】, 返回到外层循环重试
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            // 获取到非取消的节点,连接上当前节点
            pred.next = node;
        // 默认情况下 node 的 waitStatus 是 0,进入这里的逻辑
        } else {
            // 【设置上一个节点状态为 Node.SIGNAL】,返回外层循环重试
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        // 返回不应该 park,再次尝试一次
        return false;
    }
    • shouldParkAfterFailedAcquire发现前驱节点等待状态是-1, 返回true,表示需要阻塞。
    • shouldParkAfterFailedAcquire发现前驱节点等待状态大于0,说明是无效节点,会进行清理。
    • shouldParkAfterFailedAcquire发现前驱节点等待状态等于0,将前驱 node 的 waitStatus 改为 -1,返回 false。
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        // 阻塞当前线程,如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效
        LockSupport.park(this);
        // 判断当前线程是否被打断,清除打断标记
        return Thread.interrupted();
    }
    • 通过不断自旋尝试获取锁,最终前驱节点的等待状态为-1的时候,进行阻塞当前线程。
    • 通过调用LockSupport.park方法进行阻塞。

    6.多个线程尝试获取锁,竞争失败后,最终形成下面的图形。

    释放锁原理

    1.第一个线程通过调用unlock方法释放锁。

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

    最终调用的是同步器的release方法。

    设置锁定的线程exclusiveOwnerThread为null

    设置锁的state为0

    // AbstractQueuedSynchronizer#release
    public final boolean release(int arg) {
        // 尝试释放锁,tryRelease 返回 true 表示当前线程已经【完全释放锁,重入的释放了】
        if (tryRelease(arg)) {
            // 队列头节点
            Node h = head;
            // 头节点什么时候是空?没有发生锁竞争,没有竞争线程创建哑元节点
            // 条件成立说明阻塞队列有等待线程,需要唤醒 head 节点后面的线程
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }    
        return false;
    }

    进入 tryRelease,设置 exclusiveOwnerThread 为 null,state = 0

    当前队列不为 null,并且 head 的 waitStatus = -1,进入 unparkSuccessor, 唤醒阻塞的线程

    2.线程一通过调用tryRelease方法释放锁,该类的实现是在子类中

    // ReentrantLock.Sync#tryRelease
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // 减去释放的值,可能重入
        int c = getState() - releases;
        // 如果当前线程不是持有锁的线程直接报错
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 是否已经完全释放锁
        boolean free = false;
        // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才完全释放锁成功
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        // 当前线程就是持有锁线程,所以可以直接更新锁,不需要使用 CAS
        setState(c);
        return free;
    }

    修改锁资源的state

    3.唤醒队列中第一个线程Thread1

    private void unparkSuccessor(Node node) {
        // 当前节点的状态
        int ws = node.waitStatus;    
        if (ws < 0)        
            // 【尝试重置状态为 0】,因为当前节点要完成对后续节点的唤醒任务了,不需要 -1 了
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);    
        // 找到需要 unpark 的节点,当前节点的下一个    
        Node s = node.next;    
        // 已取消的节点不能唤醒,需要找到距离头节点最近的非取消的节点
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            // AQS 队列【从后至前】找需要 unpark 的节点,直到 t == 当前的 node 为止,找不到就不唤醒了
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                // 说明当前线程状态需要被唤醒
                if (t.waitStatus <= 0)
                    // 置换引用
                    s = t;
        }
        // 【找到合适的可以被唤醒的 node,则唤醒线程】
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
    • 从后往前找到队列中距离 head 最近的一个没取消的 Node,unpark 恢复其运行,本例中即为 Thread-1
    • thread1活了,开始重新去获取锁,也就是前面acquireQueued中的流程。

    为什么这里查找唤醒的节点是从后往前,而不是从前往后呢?

    从后向前的唤醒的原因:enq 方法中,节点是尾插法,首先赋值的是尾节点的前驱节点,此时前驱节点的 next 并没有指向尾节点,从前遍历会丢失尾节点。

    4.Thread1恢复执行流程

    • 唤醒的Thread-1 线程会从 park 位置开始执行,如果加锁成功(没有竞争),设置了exclusiveOwnerThread为Thread-1, state=1。
    • head 指向刚刚 Thread-1 所在的 Node,该 Node 会清空 Thread
    • 原本的 head 因为从链表断开,而可被垃圾回收

    5.另一种可能,突然来了Thread-4来竞争,体现非公平锁

    如果这时有其它线程来竞争锁,例如这时有 Thread-4 来了并抢占了锁,很有可能抢占成功。

    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

    公平锁实现

    演示

    @Test
    public void testfairLock() throws InterruptedException {
        // 有参构造函数,true表示公平锁,false表示非公平锁
        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
    
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadNum = i;
            new Thread(() -> {
                reentrantLock.lock();
                try {
                    System.out.println("线程" + threadNum + "获取锁");
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // finally中解锁
                    reentrantLock.unlock();
                    System.out.println("线程" + threadNum +"释放锁");
                }
            }).start();
            Thread.sleep(10);
        }
    
        Thread.sleep(100000);
    }

    运行结果:

    线程0获取锁
    线程0释放锁
    线程1获取锁
    线程1释放锁
    线程2获取锁
    线程2释放锁
    线程3获取锁
    线程3释放锁
    线程4获取锁
    线程4释放锁
    线程5获取锁
    线程5释放锁
    线程6获取锁
    线程6释放锁
    线程7获取锁
    线程7释放锁
    线程8获取锁
    线程8释放锁
    线程9获取锁
    线程9释放锁

    ReentrantLock有参构造函数,true表示公平锁,false表示非公平锁

    观察运行结果,所有获取锁的过程都是根据申请锁的时间保持一致。

    原理实现

    公平锁和非公锁的整体流程基本是一致的,唯一不同的是尝试获取锁tryAcquire的实现。

    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
        final void lock() {
            acquire(1);
        }
    
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                // 先检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有(false)才去竞争
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            // 锁重入
            return false;
        }
    }
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {    
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;    
        // 头尾指向一个节点,链表为空,返回false
        return h != t &&
            // 头尾之间有节点,判断头节点的下一个是不是空
            // 不是空进入最后的判断,第二个节点的线程是否是本线程,不是返回 true,表示当前节点有前驱节点
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

    与非公平锁最大的区别是:公平锁获取锁的时候先检查 AQS 队列中是否有非当前线程的等待节点,没有才去 CAS 竞争,有的话,就老老实实排队去吧。而非公平锁会尝试抢一次锁,如果抢不到的话,老老实实排队去吧。

    总结

    非公平锁和公平锁的两处不同:

    • 非公平锁在调用 lock 后,首先就会调用 CAS 进行一次抢锁,如果这个时候恰巧锁没有被占用,那么直接就获取到锁返回了。
    • 非公平锁在 CAS 失败后,和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法,在 tryAcquire 方法中,如果发现锁这个时候被释放了(state == 0),非公平锁会直接 CAS 抢锁,但是公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态,如果有则不去抢锁,乖乖排到后面。

    公平锁和非公平锁就这两点区别,如果这两次 CAS 都不成功,那么后面非公平锁和公平锁是一样的,都要进入到阻塞队列等待唤醒。

    相对来说,非公平锁会有更好的性能,因为它的吞吐量比较大。当然,非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定,可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。

    以上就是图解Java ReentrantLock公平锁和非公平锁的实现的详细内容,更多关于Java ReentrantLock公平锁 非公平锁的资料请关注自由互联其它相关文章!

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