Java多線程之深入理解ReentrantLock
前言
保證線程安全的方式有很多,比如CAS操作、synchronized、原子類、volatile保證可見性和ReentrantLock等,這篇文章我們主要探討ReentrantLock的相關內容。本文基於JDK1.8講述ReentrantLock.
一、可重入鎖
所謂可重入鎖,即一個線程已經獲得瞭某個鎖,當這個線程要再次獲取這個鎖時,依然可以獲取成功,不會發生死鎖的情況。synchronized就是一個可重入鎖,除此之外,JDK提供的ReentrantLock也是一種可重入鎖。
二、ReentrantLock
2.1 ReentrantLock的簡單使用
public class TestReentrantLock { private static int i = 0; public static void main(String[] args) { ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); try { lock.lock(); i++; } finally { lock.unlock(); } System.out.println(i); } }
上面是ReentrantLock的一個簡單使用案列,進入同步代碼塊之前,需要調用lock()方法進行加鎖,執行完同步代碼塊之後,為瞭防止異常發生時造成死鎖,需要在finally塊中調用unlock()方法進行解鎖。
2.2 ReentrantLock UML圖
2.3 lock()方法調用鏈
上圖描述瞭ReentrantLock.lock()加鎖的方法調用過程。在ReentrantLock中有一個成員變量private final Sync sync,Sync是AQS的一個子類。ReentrantLock的lock()方法中,調用瞭sync的lock()方法,這個方法為抽象方法,具體調用的是NonfairSync中實現的lock()方法:
/** * Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal * acquire on failure. */ final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); }
在這個方法中,先嘗試通過CAS操作進行加鎖。如果加鎖失敗,會調用AQS的acquire()方法:
/** * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented * by invoking at least once {@link #tryAcquire}, * returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link * #tryAcquire} until success. This method can be used * to implement method {@link Lock#lock}. * * @param arg the acquire argument. This value is conveyed to * {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and * can represent anything you like. */ public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
在AQS的acquire方法中,先嘗試調用tryAcquire方法進行加鎖,如果失敗,會調用acquireQueued進入等待隊列當中。acquireQueued方法將會在第三章中講解,先來看tryAcquire方法的內容。AQS的tryAcquire方法是一個模板方法,其具體實現在NonfairSync的tryAcquire方法中,裡面僅僅是調用瞭nonfairTryAcquire方法:
/** * Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in * subclasses, but both need nonfair try for trylock method. */ final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }
在這個方法中,先獲取state判斷其是否為0。如果為0表示沒有其他線程占用鎖,會嘗試通過CAS操作將state設為1進行加鎖;如果state不為0,表示某個線程已經占用瞭鎖,判斷占用鎖的線程是否為當前線程,如果是,則將state進行加1的操作,這就是ReentrantLock可重入的實現原理。
三、AQS
AQS即AbstractQueuedSynchronizer。AQS提供瞭一個基於FIFO隊列,可以用於構建鎖或者其他相關同步裝置的基礎框架。AQS其實是CLH(Craig,Landin,Hagersten)鎖的一個變種,下面來講解AQS的核心思想及其具體實現。
3.1 state
/** * The synchronization state. */ private volatile int state;
state是AQS中最核心的成員變量。這是一個volatile變量,當其為0時,表示沒有任何線程占用鎖。線程通過CAS將state從0置為1進行加鎖,當線程持有鎖的情況下,再次進行加鎖,會將state加1,即重入。
3.2 exclusiveOwnerThread
/** * The current owner of exclusive mode synchronization. */ private transient Thread exclusiveOwnerThread;
exclusiveOwnerThread是AQS的父類AbstractOwnableSynchronizer中的成員變量,其作用是實現可重入機制時,用於判斷持有鎖的線程是否為當前線程。
3.3 AQS等待隊列
除瞭以上state和exclusiveOwnerThread兩個重要的成員變量以外,AQS還維護瞭一個等待隊列。當線程嘗試加鎖失敗時,會進入這個等待隊列中,這也是整個AQS中最核心的內容。這個等待隊列是一個雙向鏈表,其節點Node對等待加鎖的線程進行封裝。
/** * Creates and enqueues node for current thread and given mode. * * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared * @return the new node */ private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; // 通過CAS操作將自身追加到鏈表尾部 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; }
當線程嘗試加鎖失敗時,通過CAS操作將自身追加到鏈表尾部。入隊之後,會調用acquireQueued在隊列中嘗試加鎖:
/** * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in * queue. Used by condition wait methods as well as acquire. * * @param node the node * @param arg the acquire argument * @return {@code true} if interrupted while waiting */ 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); } }
在這個方法中,會判斷其前置節點是否為頭節點,如果是,則嘗試進行加鎖。如果加鎖失敗,則調用LockSupport.park方法進入阻塞狀態,等待其前置節點釋放鎖之後將其喚醒。
3.4 AQS中的模板方法設計模式
AQS完美地運用瞭模板方法設計模式,其中定義瞭一系列的模板方法。比如以下方法:
// 互斥模式下使用:嘗試獲取鎖 protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 互斥模式下使用:嘗試釋放鎖 protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 共享模式下使用:嘗試獲取鎖 protected int tryAcquireShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 共享模式下使用:嘗試釋放鎖 protected boolean tryReleaseShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
這些方法在AQS中隻拋出瞭UnsupportedOperationException異常,所以需要子類去實現它們。之所以沒有將這些方法設計成為抽象方法,是因為AQS的子類可能隻需要實現其中的某些方法即可實現其功能。
總結
不同版本的JDK,AQS的實現可能會有細微的差異,但其核心思想是不會變的,即線程加鎖失敗後,通過CAS進行入隊的操作,並通過CAS的方法設置state來獲得鎖。
到此這篇關於Java多線程之深入理解ReentrantLock的文章就介紹到這瞭,更多相關Java ReentrantLock總結內容請搜索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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