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

在這裡插入圖片描述

2.3 lock()方法調用鏈

在這裡插入圖片描述

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。

在這裡插入圖片描述

/**
 * 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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