java并发编程的艺术(三)---lock源码
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jdk1.5以后,并发包中新增了lock接口,
它相对于synchronized,多了以下三个主要特性:尝试非阻塞地获取锁(尝试获取锁成功则持有)、能被中断地获取锁(锁的进程能响应中断)、超时获取锁(指定时间截止之前获取锁)。
我们看看它接口中定义的api:
获取锁
可中断地获取锁
尝试非阻塞地获取锁,能够获取则返回true,否则false
超时获取锁,三种返回情况:1、当前线程在超时时间内获得了锁。2、当前线程在超时时间内被中断。3、超时时间内没获得锁
释放锁
获取等待通知组件,该组件和当前的锁绑定,当前线程只有获得了锁,才能调用该组件的wait()方法,而调用后,当前线程将释放锁。
java中lock的实现是ReentrantLock
观测其源码,我们可以发现,lock接口的所有实现方法均是通过一个AbstractQueuedSynchronizer(同步器)的对象实现的
队列同步器是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架,使用了一个int成员变量表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。
他有三个方法改变状态
getState():获取当前同步状态
setState():设置当前同步状态
compareAndSetState(): 使用CAS设置当前状态,保证原子性
同步器中的队列使用了一个双向队列来管理同步状态
每个队列元素都有三种状态: cancelled:1 等待的线程超时或者被中断,将取消等待变成该状态(已取消)
signal: -1 下一个节点处于等待状态,当前节点若是释放了同步状态或者被取消了,将通知后继节点得以运行
condition: -2 节点在等待队列中,等待在condition上,其他线程对condition调用了signal()方法后,该节点将从等待队列中转移到同步队列中,加入到对同步状态的获取中。
propagate: -3 传播共享式同步状态
initial: 0 初始状态
主要对象:
node prev:前驱节点
node next:后继节点
node nextWaiter: 等待队列中的后继节点。
Thread thread: 获取同步状态的线程
同步器中存储着头节点head跟尾节点tail。
同步器中读写锁状态通过32位的整形数据存储,前16位代表读状态,后16位代表写状态。
其中写状态表示state & 0x0000FFFF , 读状态为 state >>> 16
源码中实现lock的方法,是调用了同步器中的acquire(int arg)(独占式同步状态)方法
该方法尝试独占获取同步状态,成功则返回,否则进入同步队列等待
通过死循环来保证节点的正确添加(CAS)
节点进入同步队列后,进入一个自旋的过程,当获得同步状态则调用release从自旋退出,并唤醒头节点的后继节点
独占式同步状态总结: 获取同步状态失败的线程会进入到同步器队列中进行自旋,移除队列的条件是前驱节点为头节点且成功获取了同步状态,在释放同步状态时候,同步器会调用tryRelease()方法释放同步状态并且唤醒后继节点。
共享式同步状态:主要用在读写操作上,多线程可以同时读,但是写锁会排他。
同步器中的acquireShared()方法就是以共享式地获取同步状态
我们可以看到在ReentrantReadWriteLock中的读锁ReadLock中的lock()方法
调用了同步器中的共享式获取同步状态,而写锁writeLock中则调用了独占式方法
重入锁:支持线程对资源的重复加锁,reentrantLock中先判断当前线程是否为获取锁的线程,是则成功获取,锁获取成功时候计数器加1,释放时候减1,当获取n次并释放n次时候,计数器为0则表示当前锁已经释放,源码方法为nonfairTrAcquire()非公平锁Nonfairsync
公平锁的源码 FairSync
两者的比较就是判断条件多了hasQueuedPredecessors()方法,就是加入了同步队列中当前节点是否有前驱节点的判断,如果方法返回true 则表示有线程更早请求获取锁,因此要等待前驱线程获取并释放锁之后才能获取。
为什么会有公平锁跟非公平锁呢:
其实非公平锁(默认)系统线程开销更低,公平锁按照队列fifo的原则,进行了大量的线程切换,而非公平锁,大部分是同一个线程又获取到了锁,进行了少量的线程切换,从而提升了性能。
读写锁中,写锁的获取 需判断读锁的状态是否为0,为了避免其他线程在读,读锁的获取, 只要写锁的16位标志位为0 或者是 当前线程获取了写锁 就可以获取读锁。
锁降级:
锁降级是从写锁降级到读锁,但是在释放写锁之前,需要先获取读锁,否则当写锁释放,当其他进程竞争到写锁,原进程的读锁会获取失败。
LockSupport工具: 用于阻塞进程
Condition 接口 : 监视器方法 实现 等待/通知模式
等待队列是一个FIFO的队列,当线程调用了Condition.await()方法,线程就将释放锁、构造成节点加入等待队列并进行等待状态,一个同步器可以拥有多个等待队列,做法就是lock.newCondition, 唤醒方法是Condition.signal()方法, 则唤醒节点的线程就会开始尝试去获取同步状态
isOnSyncQueued(node)方法判断了该节点是否是等待状态并且是否是等待队列的首节点,是则false跳出循环
signal方法先校验了当前线程是否是获取了锁的进程,接着获取等待队列的首节点,将其移动到同步队列并使用LockSupport唤醒节点中的线程,被唤醒的线程将从await()的while循环中退出进而调用同步器的acquireQueued()方法加入到获取同步状态的竞争中。
Condition是在java 1.5中才出现的,它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作,相比使用Object的wait()、notify(),使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。简单说,他的作用是使得某些线程一起等待某个条件(Condition),只有当该条件具备(signal 或者 signalAll方法被调用)时,这些等待线程才会被唤醒,从而重新争夺锁。
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