java-3.5 juc-lock

ns7381
204 阅读7分钟

LockSupport

LockSupport是锁中的基础，是一个提供锁机制的工具类，

public static void park(Object blocker) {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 设置Blocker
    setBlocker(t, blocker);
    // 获取许可
    UNSAFE.park(false, 0L);
    // 重新可运行后再此设置Blocker
    setBlocker(t, null);
}
public static void unpark(Thread thread) {
    if (thread != null) // 线程为不空
        UNSAFE.unpark(thread); // 释放该线程许可
}

image.png

AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)提供了一个FIFO队列，可以看做是一个用来实现锁以及其他需要同步功能的框架。这里简称该类为AQS。AQS的使用依靠继承(模板方法)来完成，子类通过继承自AQS并实现所需的方法来管理同步状态。例如常见的ReentrantLock，CountDownLatch等AQS的两种功能从使用上来说，AQS的功能可以分为两种：独占和共享。

    独占锁模式下，每次只能有一个线程持有锁，比如前面给大家演示的ReentrantLock就是以独占方式实现的互斥锁
    
    共享锁模式下，允许多个线程同时获取锁，并发访问共享资源，比如ReentrantReadWriteLock。

很显然，独占锁是一种悲观保守的加锁策略，它限制了读/读冲突，如果某个只读线程获取锁，则其他读线程都只能等待，这种情况下就限制了不必要的并发性，因为读操作并不会影响数据的一致性。共享锁则是一种乐观锁，它放宽了加锁策略，允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源

  • AQS的内部实现
  1. state AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。
/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;
  1. 同步队列(CLH锁) CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系)。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。 aqs依赖内部的同步队列（一个FIFO双向队列）来完成同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败时，aqs会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。 Node的主要属性如下
static final class Node {
    int waitStatus; //表示节点的状态，包含cancelled（取消）；condition 表示节点在等待condition，也就是在condition队列中
    Node prev; //前继节点
    Node next; //后继节点
    Node nextWaiter; //存储在condition队列中的后继节点
    Thread thread; //当前线程
}

AQS类底层的数据结构是使用双向链表，是队列的一种实现。包括一个head节点和一个tail节点，分别表示头结点和尾节点，其中头结点不存储Thread，仅保存next结点的引用。

image.png

当一个线程成功地获取了同步状态（或者锁），其他线程将无法获取到同步状态，转而被构造成为节点并加入到同步队列中，而这个加入队列的过程必须要保证线程安全

设置首节点是通过获取同步状态成功的线程来完成的，由于只有一个线程能够成功获取到同步状态，因此设置头节点的方法并不需要使用CAS来保证，它只需要将首节点设置成为原首节点的后继节点并断开原首节点的next引用即可

因此同步器提供了一个基于CAS的设置尾节点的方法：compareAndSetTail(Node expect,Nodeupdate)，它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点，只有设置成功后，当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。

image.png

同步队列遵循FIFO，首节点是获取同步状态成功的节点，首节点的线程在释放同步状态时，将会唤醒后继节点，而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。 image.png

  1. 获取/释放锁流程 Even though this class is based on an internal FIFO queue, it does not automatically enforce FIFO acquisition policies. The core of exclusive synchronization takes the form:
   Acquire:
       while (!tryAcquire(arg)) {
          enqueue thread if it is not already queued;
          possibly block current thread;
       }
  
   Release:
       if (tryRelease(arg))
          unblock the first queued thread;
  1. 模板方法设计模式 To use this class as the basis of a synchronizer, redefine the following methods, as applicable, by inspecting and/or modifying the synchronization state using getState, setState and/or compareAndSetState:
isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

ReentrantLock

image.png

特点

  • 可重入锁 可重入锁，指任意线程在获取到锁之后能够再次获取该锁而不会被阻塞。 synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。

实现原理实现是通过为每个锁关联一个请求计数器和一个占有它的线程。 当计数为0时，认为锁是未被占有的；线程请求一个未被占有的锁时，JVM将记录锁的占有者，并且将请求计数器置为1 如果同一个线程再次请求这个锁，计数器将递增； 每次占用线程退出同步块，计数器值将递减。直到计数器为0,锁被释放。

关于父类和子类的锁的重入:子类覆写了父类的synchonized方法，然后调用父类中的方法，此时如果没有可重入的锁，那么这段代码将产生死锁。

  • 可中断获取锁： 使用synchronized关键字获取锁的时候，如果线程没有获取到被阻塞了，那么这个时候该线程是不响应中断(interrupt)的，而使用Lock.lockInterruptibly()获取锁时被中断，线程将抛出中断异常。

  • 可非阻塞获取锁： 使用synchronized关键字获取锁时，如果没有成功获取，只有被阻塞，而使用Lock.tryLock()获取锁时，如果没有获取成功也不会阻塞而是直接返回false。

  • 可限定获取锁的超时时间： 使用Lock.tryLock(long time, TimeUnit unit)。

  • 同一个所对象上可以有多个等待队列（Conditin，类似于Object.wait()，支持公平锁模式）。

  • 公平锁和非公平锁 ReentranLock分为公平锁和非公平锁，二者的区别就在获取锁机会是否和排队顺序相关。 如果锁被另一个线程持有，那么申请锁的其他线程会被挂起等待，加入等待队列。理论上，先调用lock函数被挂起等待的线程应该排在等待队列的前端，后调用的就排在后边。 如果此时，锁被释放，需要通知等待线程再次尝试获取锁，公平锁会让最先进入队列的线程获得锁。 而非公平锁则会唤醒所有线程，让它们再次尝试获取锁，所以可能会导致后来的线程先获得了锁，则就是非公平。 默认是非公平锁

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

非公平锁的实现流程时序图

image.png

与synchronized比较

  • Synchronized与ReentrantLock ReentrantLock是JDK类层面实现；synchronized是JVM层面实现。

ReentrantLock支持：可中断的获取锁以及超时获取锁、可非阻塞获取锁、可实现公平锁及可以绑定多个条件（一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象）。 Synchronized隐式获取释放锁的便捷性以及jdk锁升级性能的优化

下面的代码是ReentranLock的函数，我们就以此为顺序，依次讲解这些函数背后的实现原理。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
lock.unlock();

ReentrantReadWriteLock

avatar
文章
阅读
粉丝