今天为你带来的是 ReentrantLock 公平锁与非公平锁的源码分析,它是 Java 并发包下的一个 java.util.concurrent.locks 实现类,实现了 Lock 接口和 Serializable 接口。
初识
ReentrantLock 类有两个构造函数,一个是默认的不带参数的构造函数,创建一个默认的非公平锁的实现,一个是带参数的构造函数,根据参数 fair 创建一个公平还是非公平的锁。
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
这里简单的说一下公平锁和非公平锁的定义:
- 公平锁:线程在同步队列中通过先进先出(FIFO)的方式获取锁,每个线程最终都能获取锁。
- 非公平锁:线程可以通过插队的方式抢占锁,抢不到锁就进入同步队列排队。
NonfairSync 类和 FairSync 类继承了 Sync 类,它们三个都是 ReentrantLock 的内部类。
AbstractQueuedSynchronizer,简称 AQS,拥有三个核心组件:
- state:volatile 修饰,线程是否可以获取锁。
- Node:内部队列,双向链表形式,没有抢到锁的对象就进入这个队列。主要字段有:pre 前一个节点,next 下一个节点,thread 线程,waitStatus 线程的状态。
- exclusiveOwnerThread:当前抢到锁的线程。
如下图,简单的了解一下 AQS。
//继承了 AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
//继承了 Sync 类,定义一个非公平锁的实现
static final class NonfairSync extends Sync
//继承了 Sync 类,定义了一个公平锁的实现
static final class FairSync extends Sync
公平锁
在分析公平锁之前,先介绍一下 Sync 类,它是 ReentrantLock 的唯一的属性,在构造函数中被初始化,决定了用公平锁还是非公平锁的方式获取锁。
private final Sync sync;
用以下构造方法创建一个公平锁。
Lock lock = new ReentrantLock(true);
沿着 lock.lock()
调用情况一路往下分析。
//FairSync.lock()
final void lock() {
// 将 1 作为参数,调用 AQS 的 acquire 方法获取锁
acquire(1);
}
acquire() 方法主要是干了 3 件事情
- tryAcquire() 尝试获取锁。
- 获取锁失败后,调用 addWaiter() 方法将线程封装成 Node,加入同步队列。
- acquireQueued() 将队列中的节点按自旋的方式尝试获取锁。
//AbstractQueuedSynchronizer.acquire()
public final void acquire(int arg) {
//尝试获取锁,true:直接返回,false:调用 addWaiter()
// addWaiter() 将当前线程封装成节点
// acquireQueued() 将同步队列中的节点循环尝试获取锁
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
tryAcquire() 尝试获取锁,如果线程本身持有锁,则将这个线程重入锁。
//FairSync.tryAcquire()
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//AQS 中的状态值
int c = getState();
//无线程占用锁
if (c == 0) {
//当前线程 用 cas 的方式设置状态为 1
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//当前线程成功设置 state 为 1,将当前线程放入 AbstractOwnableSynchronizer 的 exclusiveOwnerThread 变量中
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//当前线程本来就持有锁,进入重入逻辑,返回 true
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//将 state + 1
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 设置 state 变量,当前线程持有锁,不需要用 CAS 设置 state
setState(nextc);
return true;
}
//当前线程获取锁失败
return false;
}
hasQueuedPredecessors() 这个方法比较有绅士风度,在 tryAcquire() 方法中被第一个调用,它谦让比自己排队长的线程。
//AbstractQueuedSynchronizer.hasQueuedPredecessors()
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
// 如果首节点获取到了锁,第二个节点不是当前线程,返回 true,否则返回 false
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
addWaiter() 方法就是将获取锁失败的线程加入到同步队列尾部。
//AbstractOwnableSynchronizer.addWaiter()
private Node addWaiter(Node mode) {
//将当前线程封装成一个节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//将新节点加入到同步队列中
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// CAS 设置尾节点是新节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
//返回新的节点
return node;
}
}
//没有将尾节点设置为新节点
enq(node);
return node;
}
//AbstractQueuedSynchronizer.enq()
private Node enq(final Node node) {
//自旋
for (;;) {
//尾节点为 null,创建新的同步队列
Node t = tail;
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//尾节点不为 null,CAS方式将新节点的前一个节点设置为尾节点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
//旧的尾节点的下一个节点为新节点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
acquireQueued() 方法当节点为首节点的时候,再次调用 tryAcquire() 获取锁,否则就阻塞线程,等待被唤醒。
//AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued()
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//失败标识
boolean failed = true;
try {
//中断标识
boolean interrupted = false;
//自旋
for (;;) {
//获取前一个节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前一个节点是首节点,轮到当前线程获取锁
//tryAcquire() 尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取锁成功,将当前节点设置为首节点
setHead(node);
//将前一个节点的 Next 设置为 null
p.next = null;
//获取锁成功
failed = false;
return interrupted;
}
//是否需要阻塞
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//阻塞的方法
parkAndCheckInterrupt())
//中断标识设为 true
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
shouldParkAfterFailedAcquire() 线程是否需要被阻塞,更改线程的 waitStatus 为 SIGNAL。parkAndCheckInterrupt() 实现真正的阻塞线程。
//AbstractQueuedSynchronizer.shouldParkAfterFailedAcquire()
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//前一个节点的 waitStatus 状态,默认状态为 0,第一次进入必然走 else
int ws = pred.waitStatus;
// 第二次,直接返回 true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//将waitStatus 状态设置为 SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
//AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt()
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//阻塞当前线程
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
以上就是公平锁获取锁的全部过程,总结一下公平锁获取锁的过程:
- 当前线程调用 tryAcquire() 获取锁,成功则返回。
- 调用 addWaiter(),将线程封装成 Node 节点加入同步队列。
- acquireQueued() 自旋尝试获取锁,成功则返回。
- shouldParkAfterFailedAcquire() 将线程设置为等待唤醒状态,阻塞当前线程。
- 如果线程被唤醒,尝试获取锁,成功则返回,失败则继续阻塞。
非公平锁
用默认的构造方式创建一个非公平锁。lock() 方法上来就尝试抢占锁,失败则调用 acquire() 方法。
//NonfairSync.lock()
final void lock() {
//CAS 设置 state 为 1
if (compareAndSetState(0, 1))
//将当前线程放入 AbstractOwnableSynchronizer 的 exclusiveOwnerThread 变量中
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//设置失败,参考上一节公平锁的 acquire()
acquire(1);
}
nonfairTryAcquire() 就没有绅士风度了,没有了公平锁 hasQueuedPredecessors() 方法。
//NonfairSync.tryAcquire()
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//调用 ReentrantLock 的 nonfairTryAcquire()
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
//ReentrantLock.nonfairTryAcquire()
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果 state 变量为 0,用 CAS 设置 state 的值
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//将当前线程放入 AbstractOwnableSynchronizer 的 exclusiveOwnerThread 变量中
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//当前线程本来就持有锁,进入重入逻辑,返回 true
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置 state 变量
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
以上就是非公平锁获取锁,总结一下非公平锁获取锁的过程:
- lock() 第一次尝试获取锁,成功则返回。
- nonfairTryAcquire() 再次尝试获取锁。
- 失败则调用 addWaiter() 封装线程为 Node 节点加入同步队列。
- acquireQueued() 自旋尝试获取锁,成功则返回。
- shouldParkAfterFailedAcquire() 将线程设置为等待唤醒状态,阻塞当前线程。
- 如果线程被唤醒,尝试获取锁,成功则返回,失败则继续阻塞。
公平锁和非公平锁对比
在下图源码中可以看出,公平锁多了一个 !hasQueuedPredecessors()
用来判断是否有其他线程比当前线程在同步队列中排队时间更长。除此之外,非公平锁在初始时就有 2 次获取锁的机会,然后再到同步队列中排队。
unlock() 释放锁
获取锁之后必须得释放,同一个线程不管重入了几次锁,必须得释放几次锁,不然 state 变量将不会变成 0,锁被永久占用,其他线程将永远也获取不到锁。
//ReentrantLock.unlock()
public void unlock() {
sync.release(1);
}
//AbstractQueuedSynchronizer.release()
public final boolean release(int arg) {
//调用 Sync 的 tryRelease()
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
//首节点不是 null,首节点的 waitStatus 是 SIGNAL
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//Sync.tryRelease()
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//state 变量减去 1
int c = getState() - releases;
//当前线程不是占有锁的线程,异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//state 变量成了 0
if (c == 0) {
free = true;
//将当前占有的线程设置为 null
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//设置 state 变量
setState(c);
return free;
}
//AbstractQueuedSynchronizer.unparkSuccessor()
private void unparkSuccessor(Node node) {
//节点的 waitStatus
int ws = node.waitStatus;
//为 SIGNAL 的时候,CAS 的方式更新为初始值 0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//获取下一个节点
Node s = node.next;
//下一个节点为空,或者 waitStatus 状态为 CANCELLED
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
//从最后一个节点开始找出 waitStatus 不是 CANCELLED 的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
//下一个节点不是 null,唤醒它
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
释放锁的逻辑就是 state 必须被减去 1 直到为 0,才可以唤醒下一个线程。
总结
ReentrantLock 主要是防止资源的使用冲突,保证同一个时间只能有一个线程在使用资源。比如:文件操作,同步发送消息等等。
本文分析了 ReentrantLock 的公平锁和非公平锁以及释放锁的原理,可以得出非公平锁的效率比公平锁效率高,非公平锁初始时会 2 次获取锁,如果成功可以减少线程切换带来的损耗。在非公平模式下,线程可能一直抢占不到锁。
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