【java并发编程实战6】AQS之独占锁ReentrantLock实现前言关于AQS锁的实现

前言

自从JDK1.5后,jdk新增一个并发工具包java.util.concurrent,提供了一系列的并发工具类。而今天我们需要学习的是java.util.concurrent.lock也就是它下面的lock包,其中有一个最为常见类ReentrantLock

我们知道ReentrantLock的功能是实现代码段的并发访问控制,也就是通常意义上所说的锁。之前我们也学习过一种锁的实现,也就是synchronized关键词,synchronized是在字节码层面,通过对象的监视器锁实现的。那么ReentrantLock又是怎么实现的呢?

如果不看源码,可能会以为它的实现是通过类似于synchronized,通过对象的监视器锁实现的。但事实上它仅仅是一个工具类!没有使用更“高级”的机器指令,不是关键字,也不依靠JDK编译时的特殊处理,仅仅作为一个普普通通的类就完成了代码块的并发访问控制,这就更让人疑问它怎么实现的代码块的并发访问控制的了。

我们查看源码发现,它是通过继承抽象类实现的AbstractQueuedSynchronizer,为了方便描述,接下来我将用AQS代替AbstractQueuedSynchronizer

关于AQS

AQS,它是用来构建锁或者其他同步组建的基础框架,我们见过许多同步工具类都是基于它构建的。包括ReentrantLock、CountDownLatch等。在深入了解AQS了解之前,我们需要知道锁跟AQS的区别。锁,它是面向使用者的,它定义了使用者与锁交互的接口,隐藏了实现的细节;而AQS面像的是锁的实现者,它简化了锁的实现。锁与AQS很好的隔离使用者与实现者所需要关注的领域。那么我们今天就作为一个锁的实现者,一步一步分析锁的实现。

AQS又称同步器,它的内部有一个int成员变量state表示同步状态,还有一个内置的FIFO队列来实现资源获取线程的排队工作。通过它们我们就能实现锁。

在实现锁之前,我们需要考虑做为锁的使用者,锁会有哪几种?

通常来说,锁分为两种,一种是独占锁(排它锁,互斥锁),另一种就是共享锁了。根据这两类,其实AQS也给我们提供了两套API。而我们作为锁的实现者,通常都是要么全部实现它的独占api,要么实现它的共享api,而不会出现一起实现的。即使juc内置的ReentrantReadWriteLock也是通过两个子类分别来实现的。

锁的实现

独占锁

独占锁又名互斥锁,同一时间,只有一个线程能获取到锁,其余的线程都会被阻塞等待。其中我们常用的ReentrantLock就是一种独占锁,我们一起来ReentrantLock 分析ReentrantLock的同时看一看AQS的实现,再推理出AQS独特的设计思路和实现方式。最后,再看其共享控制功能的实现。

首先我们来看看获取锁的过程

加锁

我们查看ReentrantLock的源码。来分析它的lock方法

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

与我们之前分析的一样,锁的具体实现由内部的代理类完成,lock只是暴露给锁的使用者的一套api。使用过ReentrantLock的同学应该知道,ReentrantLock又分为公平锁和非公平锁,所以,ReentrantLock内部只有两个sync的实现。

    /**
     * Sync object for non-fair locks
     */
    static final class NonfairSync extends Sync{..}
    /**
     * Sync object for fair locks
     */
    static final class FairSync extends Sync{..}
  • 公平锁 :每个线程获取锁的顺序是按照调用lock方法的先后顺序来的。
  • 非公平锁:每个线程获取锁的顺序是不会按照调用lock方法的先后顺序来的。完全看运气。

所以我们完全可以猜测到,这个公平与不公平的区别就体现在锁的获取过程。我们以公平锁为例,来分析获取锁过程,最后对比非公平锁的过程,寻找差异。

lock

查看FairSync的lock方法

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

这里它调用到了父类AQS的acquire方法,所以我们继续查看acquire方法的代码

acquire

/**
     * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
     * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
     * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
     * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
     * #tryAcquire} until success.  This method can be used
     * to implement method {@link Lock#lock}.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     */
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 
            selfInterrupt();
    }

查看方法方法的注释我们可以知道这个方法的作用,这里我简单的翻译一下.

Acquires方法是一个独占锁模式的方法,它是不会响应中断的。它至少执行一次tryAcquire去获取锁,如果返回true,则代表获取锁成功,否则它将会被加入等待队列阻塞,直到重新尝试获取锁成功。所以我们需要看看尝试获取锁的方法tryAcquire的实现

tryAcruire

   protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

抛出一个异常,没有实现。所以我们需要查看它的子类,在我们这里就是FairSync的实现。

这里也会大家会有疑惑,没有实现为什么不写成抽象方法呢,前面我们提到过,我们不会同时在一个类中实现独占锁跟共享锁的api,那么tryAcruire是属于独占锁,那么如果我想一个共享锁也要重新独占锁的方法吗?所以大师的设计是绝对没有问题的。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();//获取当前线程
            int c = getState();  //获取父类AQS中的标志位
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() && 
                    //如果队列中没有其他线程  说明没有线程正在占有锁!
                    compareAndSetState(0, acquires)) { 
                    //修改一下状态位,注意:这里的acquires是在lock的时候传递来的,从上面的图中可以知道,这个值是写死的1
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    //如果通过CAS操作将状态为更新成功则代表当前线程获取锁,因此,将当前线程设置到AQS的一个变量中,说明这个线程拿走了锁。
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
             //如果不为0 意味着,锁已经被拿走了,但是,因为ReentrantLock是重入锁,
             //是可以重复lock,unlock的,只要成对出现行。一次。这里还要再判断一次 获取锁的线程是不是当前请求锁的线程。
                int nextc = c + acquires;//如果是的,累加在state字段上就可以了。
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

目前为止,如果获取锁成功,则返回true,获取锁的过程结束,如果获取失败,则返回false

按照之前的逻辑,如果线程获取锁失败,则会被放入到队列中,但是在放入之前,需要给线程包装一下。

那么这个addWaiter就是包装线程并且放入到队列的过程实现的方法。

addWaiter

   /**
     * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
     *
     * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
     * @return the new node
     */
    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;
    }

注释: 把当前线程作为一个节点添加到队列中,并且为这个节点设置模式

模式: 也就是独占模式/共享模式,在这里模式是形参,所以我们看看起调方 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) Node.EXCLUSIVE 就代表这是独占锁模式。

创建好节点后,将节点加入到队列尾部,此处,在队列不为空的时候,先尝试通过cas方式修改尾节点为最新的节点,如果修改失败,意味着有并发,这个时候才会进入enq中死循环,“自旋”方式修改。

将线程的节点接入到队里中后,当然还需要做一件事:将当前线程挂起!这个事,由acquireQueued来做。

在解释acquireQueued之前,我们需要先看下AQS中队列的内存结构,我们知道,队列由Node类型的节点组成,其中至少有两个变量,一个封装线程,一个封装节点类型。

而实际上,它的内存结构是这样的(第一次节点插入时,第一个节点是一个空节点,代表有一个线程已经获取锁,事实上,队列的第一个节点就是代表持有锁的节点):

0730009.png

黄色节点为队列默认的头节点,每次有线程竞争失败,进入队列后其实都是插入到队列的尾节点(tail后面)后面。这个从enq方法可以看出来,上文中有提到enq方法为将节点插入队列的方法:

enq

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                // 一个空的节点,通常代表获取锁的线程
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

acquireQueued

接着我们来看看当节点被放入到队列中,如何将线程挂起,也就是看看acquireQueued方法的实现。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                // 获取当前节点前驱结点
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果前驱节点是head,那么它就是等待队列中的第一个线程
                // 因为我们知道head就是获取线程的节点,那么它就有机会再次获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    //成功后,将上图中的黄色节点移除,Node1变成头节点。 也证实了head就是获取锁的线程的节点。
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                // 1、检查前一个节点的状态,判断是否要挂起
                // 2、如果需要挂起,则通过JUC下的LockSopport类的静态方法park挂起当前线程,直到被唤醒。
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            // 如果发生异常
            if (failed)
                // 取消请求,也就是将当前节点重队列中移除。
                cancelAcquire(node);
        }
    }

这里我还需要解释的是:

1、Node节点除了存储当前线程之外,节点类型,前驱后驱指针之后,还存储一个叫waitStatus的变量,该变量用于描述节点的状态。共有四种状态。

       /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
         * unconditionally propagate
         */
        static final int PROPAGATE = -3;

分别表示:

  • 1 = 取消状态,该节点将会被队列移除。
  • -1 = 等待状态,后驱节点处于等待状态。
  • -2 = 等待被通知,该节点将会阻塞至被该锁的condition的await方法唤醒。
  • -3 = 共享传播状态,代表该节点的状态会向后传播。

到此为止,一个线程对于锁的一次竞争才告于段落,结果有两种,要么成功获取到锁(不用进入到AQS队列中),要么,获取失败,被挂起,等待下次唤醒后继续循环尝试获取锁,值得注意的是,AQS的队列为FIFO队列,所以,每次被CPU假唤醒,且当前线程不是出在头节点的位置,也是会被挂起的。AQS通过这样的方式,实现了竞争的排队策略。

释放锁

看完了加锁,再看释放锁。我们先不看代码也可以猜测到释放锁需要的步骤。

  • 队列的头节点是当前获取锁的线程,所以我们需要移除头节点
  • 释放锁,唤醒头节点后驱节点来竞争锁

接下来我们查看源码来验证我们的猜想是否在正确。

unlock

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

unlock方法调用AQS的release方法,因为我们的acquire的时候传入的是1,也就是同步状态量+1,那么对应的解锁就要-1。

release

  public final boolean release(int arg) {
        // 尝试释放锁
        if (tryRelease(arg)) {
            // 释放锁成功,获取当前队列的头节点
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 唤醒当前节点的下一个节点
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

tryRelease

同样的它是交给子类实现的

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        
            int c = getState() - releases;
            // 当前线程不是获取锁的线程 抛出异常
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            // 因为是重入的关系,不是每次释放锁c都等于0,直到最后一次释放锁时,才通知AQS不需要再记录哪个线程正在获取锁。
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
    }

unparkSuccessor

释放锁成功之后,就唤醒头节点后驱节点来竞争锁

 private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

值得注意的是,寻找的顺序是从队列尾部开始往前去找的最前面的一个waitStatus小于0的节点。因为大于0 就是1状态的节点是取消状态。

公平锁与非公平锁

到此我们锁获取跟锁的释放已经分析的差不多。那么公平锁跟非公平锁的区别在于加锁的过程。对比代码

static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }
}
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() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
}

从代码中也可以看出来,非公平在公平锁的加锁的逻辑之前先直接cas修改一次state变量(尝试获取锁),成功就返回,不成功再排队,从而达到不排队直接抢占的目的。

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