• Java可重入锁AQS 和 CAS原理


      Java 实现同步的两种方式,一种是使用synchronized关键字来实现同步访问,另外一种是从Java 5之后,在java.util.concurrent.locks包下

    提供了另外一种方式来实现同步访问,那就是Lock。今天就来说一下Lock的实现类 ReentrantLock 的公平锁模式下的实现方式。

    java可重入锁-ReentrantLock实现细节

    ReentrantLock支持两种获取锁的方式,一种是公平模型,一种是非公平模型。在继续之前,咱们先把故事元素转换为程序元素。

    元素转换 

    咱们先来说说公平锁模型:

    初始化时, state=0,表示无人抢占了打水权。这时候,村民A来打水(A线程请求锁),占了打水权,把state+1,如下所示:

    线程A获取锁

    线程A取得了锁,把 state原子性+1,这时候state被改为1,A线程继续执行其他任务,然后来了村民B也想打水(线程B请求锁),线程B无法获取锁,生成节点进行排队,如下图所示:

    线程B等待

    初始化的时候,会生成一个空的头节点,然后才是B线程节点,这时候,如果线程A又请求锁,是否需要排队?答案当然是否定的,否则就直接死锁了。当A再次请求锁,就相当于是打水期间,同一家人也来打水了,是有特权的,这时候的状态如下图所示:

    可重入锁获取

    到了这里,相信大家应该明白了什么是可重入锁了吧。就是一个线程在获取了锁之后,再次去获取了同一个锁,这时候仅仅是把状态值进行累加。如果线程A释放了一次锁,就成这样了:

    线程A释放一次锁

    仅仅是把状态值减了,只有线程A把此锁全部释放了,状态值减到0了,其他线程才有机会获取锁。当A把锁完全释放后,state恢复为0,然后会通知队列唤醒B线程节点,使B可以再次竞争锁。当然,如果B线程后面还有C线程,C线程继续休眠,除非B执行完了,通知了C线程。注意,当一个线程节点被唤醒然后取得了锁,对应节点会从队列中删除。 

    非公平锁模型

    如果你已经明白了前面讲的公平锁模型,那么非公平锁模型也就非常容易理解了。当线程A执行完之后,要唤醒线程B是需要时间的,而且线程B醒来后还要再次竞争锁,所以如果在切换过程当中,来了一个线程C,那么线程C是有可能获取到锁的,如果C获取到了锁,B就只能继续乖乖休眠了。这里就不再画图说明了。

    可重入锁

      如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到某个synchronized方法时,比如说method1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新去申请锁,而是可以直接执行方法method2。

      看下面这段代码就明白了:

    class MyClass {
        public synchronized void method1() {
            method2();
        }
         
        public synchronized void method2() {
             
        }
    }
     

       上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。

      而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。

      接下来,开始真正的源码分析:

      public ReentrantLock(boolean fair) {
            sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        }
      ReentrantLock的构造方法,现在只看公平锁。FairSync的实现
    static final class FairSync extends Sync {
            private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    
            final void lock() {
                acquire(1);
            }
    
            /**
             * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
             * recursive call or no waiters or is first.
             */
            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;
            }
        }
    

      当调用lock方法时,会调用acquire(1)方法,获取state,state等于0表示没有线程获取到锁,接下来会判断是否有等待的线程,如果没有等待线程和进行cas操作state成功,则设置当前独占线程为当前线程,返回true,获取锁成功。后面有个else条件就是可重入锁的实现,如果获取锁失败,则判断当前独占锁线程是否为当前线程

    ,如果是当前线程,则将state进行加一操作,并返回true,获取锁成功。否则获取锁失败。

    注意事项:state 使用了volatile关键字,使state被线程修改时,及时的被其他线程读取到最新的值。

    AbstractQueuedSynchronizer

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

    尝试获取锁,当获取锁失败后,将当前线程放入等待队列中,然后开始循环去获取锁操作。
    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);
    }
    }

    如果已经没有线程获取锁的时候,则返回true,当前锁线程进行interrupt操作,
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