Java並發編程之ReentrantLock實現原理及源碼剖析
前面《Java並發編程之JUC並發核心AQS同步隊列原理剖析》介紹瞭AQS的同步等待隊列的實現原理及源碼分析,這節我們將介紹一下基於AQS實現的ReentranLock的應用、特性、實現原理及源碼分析。
一、ReentrantLock簡介
ReentrantLock位於Java的juc包裡面,從JDK1.5開始出現,是基於AQS同步隊列的獨占模式實現的一種鎖。ReentrantLock使用起來比synchronized更加靈活,可以自己控制加鎖、解鎖的邏輯。ReentrantLock跟synchronized一樣也是可重入的鎖,提供瞭公平/非公平兩種模式:
- 公平鎖:多個線程競爭鎖的時候,會先判斷等待隊列中是否有等待的線程節點,如果有則當前線程會進行排隊,鎖的獲取順序符合請求的絕對時間順序,也就是 FIFO
- 非公平鎖:當前線程競爭鎖的時候不管有沒有其他線程節點在排隊,都會先通過CAS嘗試獲取鎖,獲取失敗瞭才會進行排隊。
通過new ReentrantLock()的方式創建的是非公平鎖,要想創建公平鎖需要在構造方法中指定new ReentrantLock(true)。ReentrantLock的常用方法如下:
- void lock() 獲取鎖,如果當前線程獲取鎖成功將返回,獲取鎖失敗線程將被阻塞、掛起
- void lockInterruptibly() throws InterruptedException 可中斷的獲取鎖,和lock方法的不同之處在於該方法會響應中斷,即在鎖的獲取過程中可以中斷當前線程
- boolean tryLock() 嘗試非阻塞的獲取鎖,方法會立即返回,獲取鎖成功返回true,否則返回false
- boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException 嘗試在指定超時時間內獲取鎖,如果當前線程獲取瞭鎖會立即返回true,如果被其他線程獲取瞭鎖則會被阻塞掛起,該方法會在下面三種情況下返回:1,在超時時間內獲取瞭鎖,返回true;2,在超時時間內線程被中斷;3,超時時間結束,返回false。
- void unlock() 釋放鎖
- Condition newCondition() 獲取等待通知組件,該組件與當前的鎖綁定,當前線程隻有獲取瞭鎖,才能調用Condition的wait()方法,調用wait()方法後會釋放鎖
二、ReentrantLock使用
ReentrantLock的使用方式一般如下,一定要在finally裡面進行解鎖,防止程序出現異常無法解鎖
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); lock.lock(); try { System.out.println("獲取瞭鎖"); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); }
下面通過一個程序示例,演示一下ReentrantLock的使用:對同一個lock對象做多次加鎖,解鎖,演示一下ReentrantLock的鎖重入
public class ReentrantLockTest { private Integer counter = 0; private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); public void modifyResources(String threadName){ System.out.println("線程:--->"+threadName+"等待獲取鎖"); lock.lock(); System.out.println("線程:--->"+threadName+"第一次加鎖"); counter++; System.out.println("線程:"+threadName+"做第"+counter+"件事"); //重入該鎖,我還有一件事情要做,沒做完之前不能把鎖資源讓出去 lock.lock(); System.out.println("線程:--->"+threadName+"第二次加鎖"); counter++; System.out.println("線程:"+threadName+"做第"+counter+"件事"); lock.unlock(); System.out.println("線程:"+threadName+"釋放一個鎖"); lock.unlock(); System.out.println("線程:"+threadName+"釋放一個鎖"); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ReentrantLockTest tp = new ReentrantLockTest(); new Thread(()->{ String threadName = Thread.currentThread().getName(); tp.modifyResources(threadName); },"Thread:張三").start(); new Thread(()->{ String threadName = Thread.currentThread().getName(); tp.modifyResources(threadName); },"Thread:李四").start(); Thread.sleep(100); } }
程序運行輸出如下所示:上面代碼中lock加鎖兩次然後解鎖兩次,在張三線程兩次解鎖完成之前,李四線程一直在等待。ReentrantLock加鎖瞭幾次,就要解鎖相同的次數才可以釋放鎖。
線程:—>Thread:張三等待獲取鎖
線程:—>Thread:張三第一次加鎖
線程:Thread:張三做第1件事
線程:—>Thread:張三第二次加鎖
線程:—>Thread:李四等待獲取鎖
線程:Thread:張三做第2件事
線程:Thread:張三釋放一個鎖
線程:Thread:張三釋放一個鎖
線程:—>Thread:李四第一次加鎖
線程:Thread:李四做第3件事
線程:—>Thread:李四第二次加鎖
線程:Thread:李四做第4件事
線程:Thread:李四釋放一個鎖
線程:Thread:李四釋放一個鎖
三、ReentrantLock源碼分析
ReentrantLock實現瞭Lock接口,它有一個內部類Sync實現瞭前面介紹過的AbstractQueuedSynchronizer,而其公平鎖、非公平鎖分別通過Sync的子類FairSync、NonFairSync(也是ReentrantLock的內部類)實現。下面看下其UML圖
lock()方法調用時序圖如下:
前面《Java並發編程之JUC並發核心AQS同步隊列原理剖析》介紹AQS的時候說過,AbstractQueuedSynchronizer中有一個狀態變量state,在ReentrantLock中state等於0表示沒有線程獲取鎖,如果等於1說明有線程獲取瞭鎖,如果大於1說明獲取鎖的線程加鎖的次數,加瞭幾次鎖就必須解鎖幾次,每次unlock解鎖state都會減1,減到0時釋放鎖。
1、非公平鎖源碼分析
前面一篇博客《Java並發編程之JUC並發核心AQS同步隊列原理剖析》對AQS介紹的已經非常詳細瞭,所以下面源碼分析中牽涉AQS中的方法就不再進行介紹瞭,想瞭解的話可以看下那篇博客。
先看下非公平鎖的加鎖lock方法,lock方法中調用瞭sync的lock方法,而sync對象時根據構造ReentrantLock時是公平鎖(FairSync)還是非公平鎖(NonFairSync)。
public void lock() { sync.lock(); }
這裡調用的是非公平鎖,所以我們看下 NonFairSync的lock方法:進來時不管有沒有其他線程持有鎖或者等待鎖,會先調用AQS中的compareAndSetState方法嘗試獲取鎖,如果獲取失敗,會調用AQS中的acquire方法
final void lock() { /** * 第一步:直接嘗試加鎖 * 與公平鎖實現的加鎖行為一個最大的區別在於,此處不會去判斷同步隊列(CLH隊列)中 * 是否有排隊等待加鎖的節點,上來直接加鎖(判斷state是否為0,CAS修改state為1) * ,並將獨占鎖持有者 exclusiveOwnerThread 屬性指向當前線程 * 如果當前有人占用鎖,再嘗試去加一次鎖 */ if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else //AQS定義的方法,加鎖 acquire(1); }
下面看下acquire方法,會先調用NonFairSync類中重寫的tryAcquire方法嘗試獲取鎖,如果獲取鎖失敗會調用AQS中的acquireQueued方法進行排隊、阻塞等處理。
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
下面看下NonFairSync類中重寫的tryAcquire方法,裡面又調用瞭nonfairTryAcquire方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); }
下面看下nonfairTryAcquire方法:
- 判斷state如果為0,通過CAS的方式嘗試獲取鎖,如果獲取鎖成功,則將當前線程設置為獨占線程
- 如果state不為0,則判斷當前線程是否跟獨占線程時同一個線程,如果是同一個線程則將鎖的state加1,也就是鎖的重入次數加1
- 否則獲取鎖失敗,返回false
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { //acquires = 1 final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); /** * 不需要判斷同步隊列(CLH)中是否有排隊等待線程 * 判斷state狀態是否為0,不為0可以加鎖 */ if (c == 0) { //unsafe操作,cas修改state狀態 if (compareAndSetState(0, acquires)) { //獨占狀態鎖持有者指向當前線程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } /** * state狀態不為0,判斷鎖持有者是否是當前線程, * 如果是當前線程持有 則state+1 */ else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } //加鎖失敗 return false; }
下面看下非公平鎖的解鎖過程:unlock方法中調用瞭AQS中的release方法
public void unlock() { sync.release(1); }
AQS中的release方法如下所示:會先調用AQS的子類Sync中重寫的tryRelease方法去釋放鎖,如果是否鎖成功,則喚醒同步隊列中head的後續節點,後續節點線程被喚醒會去競爭鎖。
public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) {//釋放一次鎖 Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h);//喚醒後繼結點 return true; } return false; }
Sync中重寫的tryRelease方法:
獲取當前的state值,然後減1
判斷當前線程是否是鎖的持有線程,如果不是會拋出異常。
如果state的值被減到瞭0,表示鎖已經被釋放,會將獨占線程設置為空null,將state設置為0,返回true,否則返回false。
/** * 釋放鎖 */ protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; }
2、公平鎖源碼分析
先看下公平鎖的加鎖lock方法,lock方法中調用瞭sync的lock方法,這裡調用的是FairSync的lock方法。
public void lock() { sync.lock(); }
FairSync的lock方法直接調用瞭AQS中的acquire方法,沒有像非公平鎖先通過CAS的方式先去嘗試獲取鎖
final void lock() { acquire(1); }
下面看下acquire方法,會先調用FairSync類中重寫的tryAcquire方法嘗試獲取鎖,如果獲取鎖失敗會調用AQS中的acquireQueued方法進行排隊、阻塞等處理。
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
下面看下FairSync類中重寫的tryAcquire方法,這個方法跟NonFairSync的唯一區別就是state為0的時候,公平鎖會先通過hasQueuedPredecessors()方法判斷是否隊列中是否有等待的節點,如果沒有才會嘗試通過CAS的方式去獲取鎖,非公平鎖不會判斷直接回嘗試獲取鎖。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { /** * 與非公平鎖中的區別,需要先判斷隊列當中是否有等待的節點 * 如果沒有則可以嘗試CAS獲取鎖 */ if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { //獨占線程指向當前線程 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; }
公平鎖的unlock方法與非公平鎖的代碼一樣,這裡就不再介紹瞭。
到此這篇關於Java並發編程之ReentrantLock實現原理及源碼剖析的文章就介紹到這瞭,更多相關Java ReentrantLock內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet!
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