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发布日期：2022-06-15
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死磕Java——ReentrantLock
ReentrantLock是java.util.concurrent.locks包下一个可重入的默认是非公平的锁，ReentrantLock类是Lock接口的一个使用很频繁的实现类，类结构如下图：
前面说过JMM模型要求的是可见性，原子性和有序性。解决原子性的方法也有多种，例如synchronized同步方法或者同步代码块，也可以使用AtomicInteger原子包装类解决，都知道synchronized加锁是最笨重的解决方法，所里，这里使用的是ReentrantLock加锁来实现原子性，代码如下：
class MyData {
int num = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
public void add() {
try {
lock.lock();
num++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
public class ReentrantLockDemo {
private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(ReentrantLockDemo.class);
public static void main(String[] args) {
MyData myData = new MyData();
for (int i = 1; i <= 20; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
myData.add();
}
}, String.valueOf(i)).start();
}
// 知道所有的线程执行结束
while (Thread.activeCount() > 1) {
Thread.yield();
}
log.info("结果：{}", myData.num);
}
}
1.1.ReentrantLock的公平性
ReentrantLock提供了一个带参数的构造函数，来让使用者决定使用是否是公平锁。
通过源码我们可以知道，无参数就是默认为非公平锁，传入true表示公平锁，传入false表示非公平锁，源码如下
// 空参默认为非公平锁
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
// 根绝参数决定锁的公平性
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
1.2.ReentrantLock的非公平锁
1.2.1使用ReentrantLock加锁
// 创建一个非公平锁
Lock lock = new ReentrantLock();
try {
// 加锁
lock.lock();
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
1.2.2.执行的是ReentrantLock的lock方法
public void lock() {
sync.lock();
}
1.2.3.调用的是NonfairSync类的lock方法
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() {
// 通过CAS思想去AQS队列中获取将State值从0变为1，即获取到锁
if (compareAndSetState(0, 1))
// 获取锁成功则将当前线程标记为持有锁的线程,然后直接返回
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
// 获取锁失败则执行该方法
acquire(1);
}
}
1.2.4.调用AQS的cAS方法获取锁
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
// unsafe类是通过native方法直接操作内存数据
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
1.2.5.获取锁失败执行acquire方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
1.2.6.tryAcquire尝试获取锁
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
tryAcquire这个方法是AQS默认的钩子方法，不同类的有不同的实现，其中NonfairSync实现如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
// 传入的acquires为1，获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取state变量的值,即当前锁被重入的次数
int c = getState();
// state为0,说明当前锁未被任何线程持有
if (c == 0) {
// 通过CAS思想去AQS队列中获取将State值从0变为1，即获取到锁
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
// 获取锁成功则将当前线程标记为持有锁的线程,然后直接返回
setExclusiveOwnerThread(current);
// 返回尝试获取锁成功
return true;
}
}
// //当前线程就是持有锁的线程,说明该锁被重入了
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// //计算state变量要更新的值
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// //非同步方式更新state值
setState(nextc);
// 获取锁成功，返回结果
return true;
}
// 尝试获取锁失败
return false;
}
1.2.7.获取锁失败后将线程加入到同步队列中
private Node addWaiter(Node mode) {
// 创造一个新的节点，传入的mode参数为null
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// tail是指向队列尾元素的尾指针，新节点的头指针指向队列的尾指针
Node pred = tail;
// //队列不为空
if (pred != null) {
// 新节点的头指针修改为队列的尾指针
node.prev = pred;
// 使用CAS算法，如果内存中的队列还是之前的尾指针就把新节点指向尾指针
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 安全的加入同步队列
enq(node);
return node;
}
1.2.8.将线程加入同步队列
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
// t节点指向当前队列的最后一个节点
Node t = tail;
// 队列为空
if (t == null) { // Must initialize
// 通过CAS构造新节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 尾指针指向新节点
tail = head;
} else {
// 队列不为空时候，将节点的头指针指向队列的尾指针
node.prev = t;
// 使用CAS算法，如果内存中的队列还是之前的尾指针就把新节点指向尾指针
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
当队列为空的时候通过CAS更新头节点源码如下：
private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
}
说明：仅当队列中原值为null时更新成功。
当队列不为空的时候通过CAS更新尾节点源码如下：
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}
说明：CAS方式更新tial指针,仅当原值为t时更新成功
1.2.9.线程进入队列后
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 参数arg为1，节点是为获取到锁的线程节点
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
// 进入死循环,正常情况下线程只有获得锁才能跳出循环
for (;;) {
// 获取当前节点线程的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 当获取到了前驱节点为队列头节点或者尝试获取锁成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 设置当前线程的节点为头节点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted; // 死循环的唯一出口
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 判断是否要阻塞当前线程
parkAndCheckInterrupt()) // 阻塞当前线程
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
1.3.ReentrantLock加锁总结
1.4.ReentrantLock非公平解锁
lock.unlock();
1.4.1.释放锁
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 释放锁(state-1),若释放后锁可被其他线程获取(state=0),返回true
if (tryRelease(arg)) {
// 获取队列的头节点
Node h = head;
//当前队列不为空且头结点状态不为初始化状态(0)
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 唤醒同步队列中被阻塞的线程
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
1.4.2.尝试释放锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 计算待更新的state值
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 待更新的state值为0,说明持有锁的线程未重入,一旦释放锁其他线程将能获取
if (c == 0) {
free = true;
// 清除锁的持有线程标记
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 更新的state值
setState(c);
return free;
}
我们可以看见一个很重要的抽象类AbstractQueuedSynchronizer，有关AQS稍后在死磕，可以说AQS是同步组件的基础。