ReentrantLock 實現原理

時間 2020-01-14

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ReentrantLock 實現原理

使用 synchronized 來作同步處理時，鎖的獲取和釋放都是隱式的，實現的原理是經過編譯後加上不一樣的機器指令來實現。java

而 ReentrantLock 就是一個普通的類，它是基於 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)來實現的。node

是一個重入鎖：一個線程得到了鎖以後仍然能夠反覆的加鎖，不會出現本身阻塞本身的狀況。git

AQS 是 Java 併發包裏實現鎖、同步的一個重要的基礎框架。github

鎖類型

ReentrantLock 分爲公平鎖和非公平鎖，能夠經過構造方法來指定具體類型：併發

//默認非公平鎖
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    //公平鎖
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

默認通常使用非公平鎖，它的效率和吞吐量都比公平鎖高的多(後面會分析具體緣由)。框架

獲取鎖

一般的使用方式以下:ide

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void run() {
        lock.lock();
        try {
            //do bussiness
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

公平鎖獲取鎖

首先看下獲取鎖的過程：ui

public void lock() {
        sync.lock();
    }

能夠看到是使用 sync的方法，而這個方法是一個抽象方法，具體是由其子類(FairSync)來實現的，如下是公平鎖的實現:this

final void lock() {
            acquire(1);
        }

        //AbstractQueuedSynchronizer 中的 acquire()
        public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
        }

第一步是嘗試獲取鎖(tryAcquire(arg)),這個也是由其子類實現：線程

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

首先會判斷 AQS 中的 state 是否等於 0，0 表示目前沒有其餘線程得到鎖，當前線程就能夠嘗試獲取鎖。

注意:嘗試以前會利用 hasQueuedPredecessors() 方法來判斷 AQS 的隊列中中是否有其餘線程，若是有則不會嘗試獲取鎖(這是公平鎖特有的狀況)。

若是隊列中沒有線程就利用 CAS 來將 AQS 中的 state 修改成1，也就是獲取鎖，獲取成功則將當前線程置爲得到鎖的獨佔線程(setExclusiveOwnerThread(current))。

若是 state 大於 0 時，說明鎖已經被獲取了，則須要判斷獲取鎖的線程是否爲當前線程(ReentrantLock 支持重入)，是則須要將 state + 1，並將值更新。

寫入隊列

若是 tryAcquire(arg) 獲取鎖失敗，則須要用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 將當前線程寫入隊列中。

寫入以前須要將當前線程包裝爲一個 Node 對象(addWaiter(Node.EXCLUSIVE))。

AQS 中的隊列是由 Node 節點組成的雙向鏈表實現的。

包裝代碼:

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

首先判斷隊列是否爲空，不爲空時則將封裝好的 Node 利用 CAS 寫入隊尾，若是出現併發寫入失敗就須要調用 enq(node); 來寫入了。

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

這個處理邏輯就至關於自旋加上 CAS 保證必定能寫入隊列。

掛起等待線程

寫入隊列以後須要將當前線程掛起(利用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

首先會根據 node.predecessor() 獲取到上一個節點是否爲頭節點，若是是則嘗試獲取一次鎖，獲取成功就萬事大吉了。

若是不是頭節點，或者獲取鎖失敗，則會根據上一個節點的 waitStatus 狀態來處理(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))。

waitStatus 用於記錄當前節點的狀態，如節點取消、節點等待等。

shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 返回當前線程是否須要掛起，若是須要則調用 parkAndCheckInterrupt()：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

他是利用 LockSupport 的 part 方法來掛起當前線程的，直到被喚醒。

非公平鎖獲取鎖

公平鎖與非公平鎖的差別主要在獲取鎖：

公平鎖就至關於買票，後來的人須要排到隊尾依次買票，不能插隊。

而非公平鎖則沒有這些規則，是搶佔模式，每來一我的不會去管隊列如何，直接嘗試獲取鎖。

非公平鎖:

final void lock() {
            //直接嘗試獲取鎖
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

公平鎖:

final void lock() {
            acquire(1);
        }

還要一個重要的區別是在嘗試獲取鎖時tryAcquire(arg)，非公平鎖是不須要判斷隊列中是否還有其餘線程，也是直接嘗試獲取鎖：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                //沒有 !hasQueuedPredecessors() 判斷
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

釋放鎖

公平鎖和非公平鎖的釋放流程都是同樣的：

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

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                   //喚醒被掛起的線程
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

    //嘗試釋放鎖
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

首先會判斷當前線程是否爲得到鎖的線程，因爲是重入鎖因此須要將 state 減到 0 才認爲徹底釋放鎖。

釋放以後須要調用 unparkSuccessor(h) 來喚醒被掛起的線程。