ReentrantLock从源码解析Java多线程同步学习
作者:码下客
前言
如今多线程编程已成为了现代软件开发中的重要部分,而并发编程中的线程同步问题更是一道难以逾越的坎。在Java语言中,synchronized是最基本的同步机制,但它也存在着许多问题,比如可重入性不足、死锁等等。为了解决这些问题,Java提供了更加高级的同步机制——ReentrantLock。
管程
管程(Monitor)是一种用于实现多线程同步的抽象数据类型,它可以用来协调不同线程之间的互斥和同步访问共享资源。通俗地说,管程就像一个门卫,控制着进入某个共享资源区域的线程数量和时间,以避免多个线程同时访问导致的数据竞争和混乱。
管程模型
- Mesa管程模型:由美国计算机科学家Dijkstra提出,是最流行的管程模型之一。在Mesa管程模型中,每个管程也有一个条件变量和等待队列,但与Hoare管程不同的是,当一个线程请求进入管程时,如果条件不满足,该线程并不会立即被阻塞,而是继续执行后续操作,直到该线程主动放弃锁资源或者其他线程唤醒它。
- Hoare管程模型:由英国计算机科学家C.A.R. Hoare提出,是最早的管程模型之一。在Hoare管程模型中,每个管程都有一个条件变量和一个等待队列,当一个线程请求进入管程时,如果条件不满足,该线程就会被阻塞并加入等待队列,直到条件满足后才被唤醒。
- Brinch Hansen管程模型:由丹麦计算机科学家Per Brinch Hansen提出,是一种改进的管程模型。在Brinch Hansen管程模型中,每个管程也有一个条件变量和等待队列,但与其他管程模型不同的是,它允许多个线程同时在管程中等待,并且不需要像Hoare管程那样每次只唤醒一个等待线程。
在Java中,采用的是基于Mesa管程模型实现的管程机制。具体地,Java中的synchronized
关键字就是基于Mesa管程模型实现的,包括Java中的AbstractQueuedSynchronizer(AQS)可以被看作是一种基于管程模型实现的同步框架。
MESA模型
主要特点
- 互斥访问
MESA模型采用了互斥访问的机制,即同一时刻只能有一个线程进入管程执行代码。
- 条件变量
MESA模型还引入了条件变量的概念,用于实现线程间的等待和唤醒操作。条件变量提供了一种机制,使得线程可以在等待某个条件成立时挂起,并在条件成立时被唤醒。
- 等待队列
MESA模型使用等待队列来维护处于等待状态的线程,这些线程都在等待条件变量成立。等待队列由一个或多个条件变量组成,每个条件变量都有自己的等待队列。
- 原子操作
MESA模型要求管程中的所有操作都是原子操作,即一旦进入管程,就不能被中断,直到操作执行完毕。
AQS
在讲ReentrantLock之前先说一下AQS,AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java中的一个同步器,它是许多同步类(如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等)的基础。AQS提供了一种实现同步操作的框架,其中包括独占模式和共享模式,以及一个等待队列来管理线程的等待和唤醒。AQS也借鉴了Mesa模型的思想。
共享变量
AQS内部维护了属性volatile int state表示资源的可用状态
state三种访问方式:
- getState()
- setState()
- compareAndSetState()
资源访问方式
Exclusive-独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock
Share-共享,多个线程可以同时执行,如Semaphore/CountDownLatch
主要方法
- isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
- tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
- tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
- 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。
- 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
队列
- 同步等待队列: 主要用于维护获取锁失败时入队的线程。
- 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。
node节点等待状态
- 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。
- CANCELLED,值为1,表示当前的线程被取消;
- 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;
- CONDITION,值为-2,表示当前节点在等待condition,也就是在condition队列中;
- PROPAGATE,值为-3,表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行;
ReentrantLock源码分析
在ReentrantLock中有一个内部类Sync会继承 AQS然后将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法。
实例化ReentrantLock
/** * Creates an instance of {@code ReentrantLock}. * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}. */ public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); } /** * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the * given fairness policy. * * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy */ public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); }
ReentrantLock还提供了一个传布尔值的实例化方式,这个传true用来创建一个公平锁的,默认是创建非公平锁。非公平锁的话 sync是用NonfairSync来进行实例化,公平锁sync是用FairSync来进行实例化。
加锁
现在假设有AB两个线程来竞争锁
A线程加锁成功
static final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L; /** * Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal * acquire on failure. */ final void lock() { //CAS修改state状态 if (compareAndSetState(0, 1)) //修改成功设置exclusiveOwnerThread setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else //尝试获取资源 acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } }
假定A线程先CAS修改成功,他会设置exclusiveOwnerThread为A线程
B线程尝试加锁
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
我们先看tryAcquire()方法,这里体现出了他的可重入性。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); //获取当前资源标识 int c = getState(); if (c == 0) { //如果资源没被占有CAS尝试加锁 if (compareAndSetState(0, acquires)) { //修改成功设置exclusiveOwnerThread setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //资源被占有要判断占有资源的线程是不是当前线程,加锁成功设置的exclusiveOwnerThread值在这里就派上了用处 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //这下面就是将重入次数设置到资源标识里 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }
根据上面源码我们可以看出B线程尝试加锁是失败的,接下来看尝试加锁失败后的方法acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg),该方法实现分为两个部分:
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
:该方法会将当前线程加入到等待队列(即Sync
中的queue
)的尾部,并返回该节点。这个节点的模式是独占模式(Node.EXCLUSIVE
),表示当前线程想要获取独占锁。acquireQueued(Node node, int arg)
:该方法是一个循环方法,用于等待和获取锁。
我们先解析addWaiter
private Node addWaiter(Node mode) { //构建一个当前线程的node节点 这里prev 和 next 都为null Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 指向双向链表的尾节点的引用 Node pred = tail; //B线程进来目前还未构建任何队列这里肯定是空的 if (pred != null) { //如果已经构建过队列会把当前线程的node节点的上一个node节点指向tail尾节点 node.prev = pred; //CAS操作把当前线程的node节点设置为新的tail尾节点 if (compareAndSetTail(pred, node)) { //把旧的tail尾节点的下一个node节点指向当前线程的node节点 pred.next = node; return node; } } //尾节点为空执行 enq(node); return node; }
private Node enq(final Node node) { //死循环当tail 尾节点不为空才会跳出 for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize //用CAS构建出一个head空的node节点 if (compareAndSetHead(new Node())) //将当前空的node节点交给尾节点(下一次循环就会走else分支) tail = head; } else { //把我们addWaiter中创建的node节点的prev指向了当前线程node节点 node.prev = t; //将tail尾节点更改为当前线程的node节点 if (compareAndSetTail(t, node)) { //将t的下一个节点指向当前线程创建的node节点 t.next = node; return t; } } } }
执行完这里初步的一个等待队列就构建好了
解析完addWaiter我们再来解析acquireQueued,addWaiter执行完后的结果会返回一个双向列表的node节点
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { //中断标志位 boolean interrupted = false; for (;;) { //获取当前线程node节点的上一个节点 final Node p = node.predecessor(); //如果上一个节点就是head节点说明当前线程其实是处在队列第一位然后就会再次尝试加锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } //这里是重点 这个方法来判断当前线程是否应该进入等待状态 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //调用LockSupport.park(this)阻塞了当前线程等待被唤醒 parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { //获取上一个节点的等待状态 int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL)//表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行 /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; if (ws > 0) {//当前线程被取消 /* * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /* * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we * need a signal, but don't park yet. Caller will need to * retry to make sure it cannot acquire before parking. */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);//设置等待状态为-1 } return false; }
运行到parkAndCheckInterrupt()B线程就会被阻塞了,后续的逻辑我们在解锁操作unlock之后再继续说
释放锁
public void unlock() { sync.release(1); }
public final boolean release(int arg) { //尝试释放锁 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) //head节点不为空并且等待状态不是0就去进行unpark操作 unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
private void unparkSuccessor(Node node) { /* * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this * fails or if status is changed by waiting thread. */ //head节点等待状态 int ws = node.waitStatus; // if (ws < 0) //将头节点的等待状态修改为0 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); /* * Thread to unpark is held in successor, which is normally * just the next node. But if cancelled or apparently null, * traverse backwards from tail to find the actual * non-cancelled successor. */ //获取头节点的下一个节点(也就是B节点) Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) {//节点为空或者线程处于取消状态 s = null; //从尾节点往上找符合条件的节点 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) //对该线程进行unpark唤醒(B节点) LockSupport.unpark(s.thread); }
唤醒之后我们的B线程就能继续往下走了,我们继续看刚刚的acquireQueued()方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); //这里尝试获取锁由于A线程释放了锁这里是肯定获取成功的 if (p == head && tryAcquire(arg)) { //把head设置为当前节点(也就是往前移一位,并且把上一个节点指向指为null) setHead(node); //把刚刚的上一个节点也指向为null (这里他就没引用了会被GC回收掉) p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //刚刚在这里阻塞现在被唤醒 parkAndCheckInterrupt()) //设置标志中断位为true 然后开始下一次循环 interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
总结
- 锁的实现方式:ReentrantLock内部通过维护一个state变量来表示锁的状态,其中高16位表示持有锁的线程ID,低16位表示重入次数。使用CAS操作来获取锁,如果当前锁未被持有,则将state的高16位设置为当前线程ID,并将低16位设置为1,表示重入次数为1;如果当前锁已经被持有,则判断持有锁的线程是否为当前线程,如果是,则将state的低16位加1表示重入,如果不是,则进入等待队列。
- 等待队列:ReentrantLock中的等待队列采用了CLH队列的实现方式,每个等待线程会被封装成一个Node节点,节点中维护了前继节点、后继节点和等待状态等信息。当一个线程需要等待锁时,会将自己封装成一个Node节点插入到等待队列的尾部,并在自旋等待时自动阻塞。
- 公平锁与非公平锁:ReentrantLock可以通过构造函数中的fair参数来指定锁的公平性,当fair为true时表示该锁是公平锁,即等待队列中的线程会按照先进先出的顺序获取锁;当fair为false时表示该锁是非公平锁,即等待队列中的线程会按照随机顺序获取锁。
- 锁的释放:ReentrantLock中的锁释放采用了state变量的递减来实现,当一个线程释放锁时,会将state的低16位减1,如果减1后低16位变为0,则表示当前线程已经完全释放了锁,此时会将高16位清零,表示锁变为了可获取状态,等待队列中的线程可以继续竞争锁。
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