浅析Java ReentrantLock锁的原理与使用
作者：M`sakura~
这篇文章主要为大家详细介绍了Java中ReentrantLock锁的原理与使用,文中的示例代码讲解详细,具有一定的借鉴价值,感兴趣的小伙伴可以了解下
一. AQS内部结构介绍
JUC是Java中一个包 java.util.concurrent 。在这个包下，基本存放了Java中一些有关并发的类，包括并发工具，并发集合，锁等。
AQS（抽象队列同步器）是JUC下的一个基础类，大多数的并发工具都是基于AQS实现的。
AQS本质并没有实现太多的业务功能，只是对外提供了三点核心内容，来帮助实现其他的并发内容。
三点核心内容：
int state
- 比如ReentrantLock或者ReentrantReadWriteLock， 它们获取锁的方式，都是对state变量做修改实现的。
- 比如CountDownLatch基于state作为计数器，同样的Semaphore也是用state记录资源个数。
Node对象组成的双向链表（AQS中）
比如ReentrantLock，有一个线程没有拿到锁资源，当线程需要等待，则需要将线程封装为Node对象，将Node添加到双向链表，将线程挂起，等待即可。
Node对象组成的单向链表（AQS中的ConditionObject类中）
比如ReentrantLock，一个线程持有锁资源时，执行了await方法（类比synchronized锁执行对象的wait方法），此时这个线程需要封装为Node对象，并添加到单向链表。
二. Lock锁和AQS关系
ReentrantLock就是基于AQS实现的。ReentrantLock类中维护这个一个内部抽象类Sync，他继承了AQS类。ReentrantLock的lock和unlock方法就是调用的Sync的方法。
AQS流程（简述）
1. 当new了一个ReentrantLock时，AQS默认state值为0， head 和 tail 都为null；
2. A线程执行lock方法，获取锁资源。
3. A线程将state通过cas操作从0改为1，代表获取锁资源成功。
4. B线程要获取锁资源时，锁资源被A线程持有。
5. B线程获取锁资源失败，需要添加到双向链表中排队。
6. 挂起B线程，等待A线程释放锁资源，再唤醒挂起的B线程。
7. A线程释放锁资源，将state从1改为0，再唤醒head.next节点。
8. B线程就可以重新尝试获取锁资源。
注： 修改AQS双向链表时要保证一个私有属性变化和两个共有属性变化，只需要让tail变化保证原子性即可。不能先改tail（会破坏双向链表）
三. AQS - Lock锁的tryAcquire方法
ReentrantLock中的lock方法实际是执行的Sync的lock方法。
Sync是一个抽象类，继承了AQS
Sync有两个子类实现：
- FairSync: 公平锁
- NonFairSync： 非公平锁
Sync的lock方法实现：
// 非公平锁
final void lock() {
// CAS操作，尝试将state从0改为1
// 成功就拿到锁资源， 失败执行acquire方法
if (compareAndSetState(0, 1))
// 成功就设置互斥锁的为当前线程拥有
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
// 公平锁
final void lock() {
acquire(1);
}如果CAS操作没有成功，需要执行acquire方法走后续
acquire方法是AQS提供的，公平和非公平都是走的这个方法
public final void acquire(int arg) {
// 1. tryAcquire方法： 再次尝试拿锁
// 2. addWaiter方法： 没有获取到锁资源，去排队
// 3. acquireQueued方法：挂起线程和后续被唤醒继续获取锁资源的逻辑
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 如果这个过程中出现中断，在整个过程结束后再自我中断
selfInterrupt();
}在AQS中tryAcquire是没有具体实现逻辑的，AQS直接在tryAcquire方法中抛出异常
在公平锁和非公平锁中有自己的实现。
非公平锁tryAcquire方法
// 非公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
// 非公平锁再次尝试拿锁 （注：该方法属于Sync类中）
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
// 获取当前线程对象
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取state状态
int c = getState();
// state是不是没有线程持有锁资源，可以尝试获取锁
if (c == 0) {
// 再次CAS操作尝试修改state状态从0改为1
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
// 成功就设置互斥锁的为当前线程拥有
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 锁资源是否被当前线程所持有 （可重入锁）
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 持有锁资源为当前， 则对state + 1
int nextc = c + acquires;
// 健壮性判断
if (nextc < 0) // overflow
// 超过最大锁重入次数会抛异常（几率很小，理论上存在）
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 设置state状态，代表锁重入成功
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}公平锁tryAcquire方法
// 公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 获取当前线程对象
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取state状态
int c = getState();
// state是不是没有线程持有锁资源
if (c == 0) {
// 当前锁资源没有被其他线程持有
// hasQueuedPredecessors方法： 锁资源没有被持有，进入队列排队
// 排队规则：
// 1. 检查队列没有线程排队，抢锁。
// 2. 检查队列有线程排队，查看当前线程是否排在第一位，如果是抢锁，否则入队列（注：该方法只是判断，没有真正入队列）
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 再次CAS操作尝试， 成功就设置互斥锁的为当前线程拥有
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 锁资源是否被当前线程所持有 （可重入锁）
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 持有锁资源为当前， 则对state + 1
int nextc = c + acquires;
// 健壮性判断
if (nextc < 0)
// 超过最大锁重入次数会抛异常（几率很小，理论上存在）
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 设置state状态，代表锁重入成功
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}四. AQS的addWaiter方法
addWaiter方法，就是将当前线程封装为Node对象，并且插入到AQS的双向链表。
// 线程入队列排队
private Node addWaiter(Node mode) {
// 将当前对象封装为Node对象
// Node.EXCLUSIVE 表示互斥 Node.SHARED 表示共享
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取tail节点
Node pred = tail;
// 判断双向链表队列有没有初始化
if (pred != null) {
// 将当前线程封装的Node节点prev属性指向tail尾节点
node.prev = pred;
// 通过CAS操作设置当前线程封装的Node节点为尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 成功则将上一个尾节点的next属性指向当前线程封装的Node节点
pred.next = node;
return node;
}
}
// 没有初始化head 和 tail 都等于null
// enq方法： 插入双向链表和初始化双向链表
enq(node);
// 完成节点插入
return node;
}
// 插入双向链表和初始化双向链表
private Node enq(final Node node) {
// 死循环
for (;;) {
// 获取当前tail节点
Node t = tail;
// 判断尾节点是否初始
if (t == null) { // Must initialize
// 通过CAS操作初始化初始化一个虚拟的Node节点，赋给head节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 完成当前线程Node节点加入AQS双向链表的过程
// 当前线程封装的Node的上一个prev属性指向tail节点
// 流程： 1. prev(私有) ---> 2. tail(共有) ---> 3. next (共有)
node.prev = t;
// 通过CAS操作修改tail尾节点指向当前线程封装的Node
if (compareAndSetTail(t, node)) {
// 将当前线程封装的Node节点赋给上一个Node的下一个next属性
t.next = node;
return t;
}
}
}
}五. AQS的acquireQueued方法
acquireQueued方法主要就是线程挂起以及重新尝试获取锁资源的地方
重新获取锁资源主要有两种情况：
- 上来就排在head.next，就回去尝试拿锁
- 唤醒之后尝试拿锁
// 当前线程Node添加到AQS队列后续操作
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标记，记录拿锁状态 失败
boolean failed = true;
try {
// 中断状态
boolean interrupted = false;
// 死循环
for (;;) {
// 获取当前节点的上一个节点 prev
final Node p = node.predecessor();
// 判断当前节点是否是head，是则代表当前节点排在第一位
// 如果是第一位，执行tryAcquire方法尝试拿锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 都成功，代表拿到锁资源
// 将当前线程Node设置为head节点，同时将Node的thread 和 prev属性设置为null
setHead(node);
// 将上一个head的next属性设置为null，等待GC回收
p.next = null; // help GC
// 拿锁状态 成功
failed = false;
// 返回中断状态
return interrupted;
}
// 没有获取到锁 --- 尝试挂起线程
// shouldParkAfterFailedAcquire方法： 挂起线程前的准备
// parkAndCheckInterrupt方法： 挂起当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 设置中断线程状态
interrupted = true;
}
} finally {
// 取消节点
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
// 检查并更新无法获取锁节点的状态
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 获取上一个节点的ws状态
/**
* SIGNAL(-1) 表示当前节点释放锁的时候，需要唤醒下一个节点。或者说后继节点在等待当前节点唤醒，后继节点入队时候，会将前驱节点更新给signal。
* CANCELLED(1) 表示当前节点已取消调度。当timeout或者中断情况下，会触发变更为此状态，进入该状态后的节点不再变化。
* CONDITION(-2) 当其他线程调用了condition的signal方法后，condition状态的节点会从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
* PROPAGATE(-3) 表示共享模式下，前驱节点不仅会唤醒其后继节点，同时也可能唤醒后继的后继节点。
* 默认(0) 新节点入队时候的默认状态。
*/
int ws = pred.waitStatus;
// 判断上个节点ws状态是否是 -1， 是则挂起
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
/**
* 判断上个节点是否是取消或者其他状态。
* 向前找到不是取消状态的节点，修改ws状态。
* 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，
* 稍后就会被GC回收，这个操作实际是把队列中的cancelled节点剔除掉。
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 如果前驱节点正常，那就把上一个节点的状态通过CAS的方式设置成-1
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
// 挂起当前线程
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
// 挂起当前线程
LockSupport.park(this);
// 返回中断标志
return Thread.interrupted();
}六. AQS的Lock锁的release方法
// 互斥锁模式 解锁
public final boolean release(int arg) {
// 尝试是否可以解锁
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 判断双链表是否存在线程排队
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 唤醒后续线程
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// 尝试是否可以解锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 锁状态 = 状态 - 1
int c = getState() - releases;
// 判断锁是是否是当前线程持有
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
// 当前线程没有持有抛出异常
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 当前锁状态变为0，则清空锁归属线程
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 设置锁状态为0
setState(c);
return free;
}
// 唤醒线程
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 获取头节点的状态
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 通过CAS将头节点的状态设置为初始状态
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 后继节点
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从尾节点开始往前遍历，寻找离头节点最近的等待状态正常的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 真正的唤醒操作
LockSupport.unpark(s.thread);
}到此这篇关于浅析Java ReentrantLock锁的原理与使用的文章就介绍到这了,更多相关Java ReentrantLock锁内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！