转载:https://my.oschina.net/andylucc/blog/651982

摘要

提到JAVA加锁,我们通常会想到synchronized关键字或者是Java Concurrent Util(后面简称JCU)包下面的Lock,今天就来扒一扒Lock是如何实现的,比如我们可以先提出一些问题:当我们通实例化一个ReentrantLock并且调用它的lock或unlock的时候,这其中发生了什么?如果多个线程同时对同一个锁实例进行lock或unlcok操作,这其中又发生了什么?

什么是可重入锁?

ReentrantLock是可重入锁,什么是可重入锁呢?可重入锁就是当前持有该锁的线程能够多次获取该锁,无需等待。可重入锁是如何实现的呢?这要从ReentrantLock的一个内部类Sync的父类说起,Sync的父类是AbstractQueuedSynchronizer(后面简称AQS)。

什么是AQS?

AQS是JDK1.5提供的一个基于FIFO等待队列实现的一个用于实现同步器的基础框架,这个基础框架的重要性可以这么说,JCU包里面几乎所有的有关锁、多线程并发以及线程同步器等重要组件的实现都是基于AQS这个框架。AQS的核心思想是基于volatile int state这样的一个属性同时配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前锁的状态进行修改。当state的值为0的时候,标识改Lock不被任何线程所占有。

ReentrantLock锁的架构

ReentrantLoc的架构相对简单,主要包括一个Sync的内部抽象类以及Sync抽象类的两个实现类。上面已经说过了Sync继承自AQS,他们的结构示意图如下:

上图除了AQS之外,我把AQS的父类AbstractOwnableSynchronizer(后面简称AOS)也画了进来,可以稍微提一下,AOS主要提供一个exclusiveOwnerThread属性,用于关联当前持有该所的线程。另外、Sync的两个实现类分别是NonfairSync和FairSync,由名字大概可以猜到,一个是用于实现公平锁、一个是用于实现非公平锁。那么Sync为什么要被设计成内部类呢?我们可以看看AQS主要提供了哪些protect的方法用于修改state的状态,我们发现Sync被设计成为安全的外部不可访问的内部类。ReentrantLock中所有涉及对AQS的访问都要经过Sync,其实,Sync被设计成为内部类主要是为了安全性考虑,这也是作者在AQS的comments上强调的一点。

AQS的等待队列

作为AQS的核心实现的一部分,举个例子来描述一下这个队列长什么样子,我们假设目前有三个线程Thread1、Thread2、Thread3同时去竞争锁,如果结果是Thread1获取了锁,Thread2和Thread3进入了等待队列,那么他们的样子如下:

AQS的等待队列基于一个双向链表实现的,HEAD节点不关联线程,后面两个节点分别关联Thread2和Thread3,他们将会按照先后顺序被串联在这个队列上。这个时候如果后面再有线程进来的话将会被当做队列的TAIL。

1)入队列

我们来看看,当这三个线程同时去竞争锁的时候发生了什么?

代码:

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

解读:

三个线程同时进来,他们会首先会通过CAS去修改state的状态,如果修改成功,那么竞争成功,因此这个时候三个线程只有一个CAS成功,其他两个线程失败,也就是tryAcquire返回false。

接下来,addWaiter会把将当前线程关联的EXCLUSIVE类型的节点入队列:

代码:

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

解读:

如果队尾节点不为null,则说明队列中已经有线程在等待了,那么直接入队尾。对于我们举的例子,这边的逻辑应该是走enq,也就是开始队尾是null,其实这个时候整个队列都是null的。

代码:

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;
            }
        }
    }
}

解读:

如果Thread2和Thread3同时进入了enq,同时t==null,则进行CAS操作对队列进行初始化,这个时候只有一个线程能够成功,然后他们继续进入循环,第二次都进入了else代码块,这个时候又要进行CAS操作,将自己放在队尾,因此这个时候又是只有一个线程成功,我们假设是Thread2成功,哈哈,Thread2开心的返回了,Thread3失落的再进行下一次的循环,最终入队列成功,返回自己。

2)并发问题

基于上面两段代码,他们是如何实现不进行加锁,当有多个线程,或者说很多很多的线程同时执行的时候,怎么能保证最终他们都能够乖乖的入队列而不会出现并发问题的呢?这也是这部分代码的经典之处,多线程竞争,热点、单点在队列尾部,多个线程都通过【CAS+死循环】这个free-lock黄金搭档来对队列进行修改,每次能够保证只有一个成功,如果失败下次重试,如果是N个线程,那么每个线程最多loop N次,最终都能够成功。

3)挂起等待线程

上面只是addWaiter的实现部分,那么节点入队列之后会继续发生什么呢?那就要看看acquireQueued是怎么实现的了,

    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);
        }
    }
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

我们还是以上面的例子来看看,Thread2和Thread3已经被放入队列了,进入acquireQueued之后:

  1. 对于Thread2来说,它的prev指向HEAD,因此会首先再尝试获取锁一次,如果失败,则会将HEAD的waitStatus值为SIGNAL,下次循环的时候再去尝试获取锁,如果还是失败,且这个时候prev节点的waitStatus已经是SIGNAL,则这个时候线程会被通过LockSupport挂起。

  2. 对于Thread3来说,它的prev指向Thread2,因此直接看看Thread2对应的节点的waitStatus是否为SIGNAL,如果不是则将它设置为SIGNAL,再给自己一次去看看自己有没有资格获取锁,如果Thread2还是挡在前面,且它的waitStatus是SIGNAL,则将自己挂起。

如果Thread1死死的握住锁不放,那么Thread2和Thread3现在的状态就是挂起状态啦,而且HEAD,以及Thread的waitStatus都是SIGNAL,尽管他们在整个过程中曾经数次去尝试获取锁,但是都失败了,失败了不能死循环呀,所以就被挂起了。当前状态如下:

锁释放-等待线程唤起

我们来看看当Thread1这个时候终于做完了事情,调用了unlock准备释放锁,这个时候发生了什么。

代码:

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

解读:

首先,Thread1会修改AQS的state状态,加入之前是1,则变为0,注意这个时候对于非公平锁来说是个很好的插入机会,举个例子,如果锁是非公平锁,这个时候来了Thread4,那么这个锁将会被Thread4抢去。。。

我们继续走常规路线来分析,当Thread1修改完状态了,判断队列是否为null,以及队头的waitStatus是否为0,如果waitStatus为0,说明队列无等待线程,按照我们的例子来说,队头的waitStatus为SIGNAL=-1,因此这个时候要通知队列的等待线程,可以来拿锁啦,这也是unparkSuccessor做的事情,unparkSuccessor主要做三件事情:

  1. 将队头的waitStatus设置为0.

  2. 通过从队列尾部向队列头部移动,找到最后一个waitStatus<=0的那个节点,也就是离队头最近的没有被cancelled的那个节点,队头这个时候指向这个节点。

  3. 将这个节点唤醒,其实这个时候Thread1已经出队列了。

还记得线程在哪里挂起的么,上面说过了,在acquireQueued里面,我没有贴代码,自己去看哦。这里我们也大概能理解AQS的这个队列为什么叫FIFO队列了,因此每次唤醒仅仅唤醒队头等待线程,让队头等待线程先出。

羊群效应

这里说一下羊群效应,当有多个线程去竞争同一个锁的时候,假设锁被某个线程占用,那么如果有成千上万个线程在等待锁,有一种做法是同时唤醒这成千上万个线程去去竞争锁,这个时候就发生了羊群效应,海量的竞争必然造成资源的剧增和浪费,因此终究只能有一个线程竞争成功,其他线程还是要老老实实的回去等待。AQS的FIFO的等待队列给解决在锁竞争方面的羊群效应问题提供了一个思路:保持一个FIFO队列,队列每个节点只关心其前一个节点的状态,线程唤醒也只唤醒队头等待线程。其实这个思路已经被应用到了分布式锁的实践中,见:Zookeeper分布式锁的改进实现方案。

ReentrantLock的原理学习的更多相关文章

  1. ReentrantLock实现原理深入探究

    前言 这篇文章被归到Java基础分类中,其实真的一点都不基础.网上写ReentrantLock的使用.ReentrantLock和synchronized的区别的文章很多,研究ReentrantLoc ...

  2. IIS原理学习

    IIS 原理学习 首先声明以下内容是我在网上搜索后整理的,在此只是进行记录,以备往后查阅只用. IIS 5.x介绍 IIS 5.x一个显著的特征就是Web Server和真正的ASP.NET Appl ...

  3. (转)ReentrantLock实现原理及源码分析

    背景:ReetrantLock底层是基于AQS实现的(CAS+CHL),有公平和非公平两种区别. 这种底层机制,很有必要通过跟踪源码来进行分析. 参考 ReentrantLock实现原理及源码分析 源 ...

  4. 【Java并发编程】15、ReentrantLock实现原理深入探究

    原文已经写得非常详细了,直接把大神的文章转发过来了  https://www.cnblogs.com/xrq730/p/4979021.html 前言 这篇文章被归到Java基础分类中,其实真的一点都 ...

  5. zookkeper原理学习

    zookkeper原理学习  https://segmentfault.com/a/1190000014479433   https://www.cnblogs.com/felixzh/p/58692 ...

  6. GIS原理学习目录

    GIS原理学习目录 内容提要 本网络教程是教育部“新世纪网络课程建设工程”的实施课程.系统扼要地阐述地理信息系统的技术体系,重点突出地理信息系统的基本技术及方法. 本网络教程共分八章:第一章绪论,重点 ...

  7. 转:SVM与SVR支持向量机原理学习与思考(一)

    SVM与SVR支持向量机原理学习与思考(一) 转:http://tonysh-thu.blogspot.com/2009/07/svmsvr.html 弱弱的看了看老掉牙的支持向量机(Support ...

  8. Android自复制传播APP原理学习(翻译)

     Android自复制传播APP原理学习(翻译) 1 背景介绍 论文链接:http://arxiv.org/abs/1511.00444 项目地址:https://github.com/Tribler ...

  9. 计算机原理学习(1)-- 冯诺依曼体系和CPU工作原理

    前言 对于我们80后来说,最早接触计算机应该是在95年左右,那个时候最流行的一个词语是多媒体. 依旧记得当时在同学家看同学输入几个DOS命令就成功的打开了一个游戏,当时实在是佩服的五体投地.因为对我来 ...

随机推荐

  1. break和continue的区别以及标签label的使用

    break表示直接跳出当前循环,break只能运用于switch--case语句以及循环之中 continue则表示跳出当次循环,继续执行下一次循环 label标签则可以选择break,或者conti ...

  2. Python学习总结4:字符串常量与操作汇总

    参考博客:http://www.cnblogs.com/Camilo/archive/2013/09/21/3332267.html http://www.cnblogs.com/SunWentao/ ...

  3. 进击的java - tomcat的安装,配置都正确之后,还是报错

    1.问题 配置Apatch Tomcat过程报错: The CATALINA_HOME environment variable is not defined correctly.This envir ...

  4. Android 封装Dialog

    package com.example.myandroid01; import android.support.v7.app.ActionBarActivity; import android.os. ...

  5. 夺命雷公狗---node.js---12之fs模块文件的操作

    node比客户端浏览器的js强的地方之一就是他的文件操作模块,可以直接对系统的文件进行操作 再打开来看下是否发生了变化,由此可见node的强大的地方了.. 实际代码如下所示: /** * Create ...

  6. 夺命雷公狗---微信开发56----微信js-sdk接口开发(3)所有接口功能

    按照上节课程里面的介绍,我们可以先将刚才在signatrue.php里获取到的信息填写进jssdk.htm模版文件里填写各个权限的参数 jssdk.htm代码如下: <!DOCTYPE html ...

  7. 《zw版·ddelphi与halcon系列原创教程》Halcon的短板与delphi

    [<zw版·delphi与Halcon系列原创教程>Halcon的短板与delphi 看过<delphi与Halcon系列>blog的网友都知道,笔者对Halcon一直是非常推 ...

  8. z/os上的tar和gzip

    在*nix平台上玩过的人都知道,tar和gzip基本上是每天都要使用的,而且非常之好用.而Mainframer则比较痛苦,没有这么好用的东西,尤其是当需要通过网络传大批量的文件的时候很不方便. 不过总 ...

  9. Eclipse安装插件支持jQuery智能提示

    Eclipse安装插件支持jQuery智能提示 最近工作中用到jQuery插件,需要安装eclipse插件才能支持jQuery智能提示,在网上搜索了一下,常用的有三个插件支持jQuery的智能提示:1 ...

  10. android 学习随笔四(数据库存储)

    SQLite数据库(sqliteexpert工具),sqlite数据库是轻量级数据库,对数据类型要求不是很严格,在数据库中处理是按verchar类型处理,一般定义表字段时还是要求严格按照数据类型定义, ...