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ReentrantLock 实现原理

时间:2024-10-06 19:17:54浏览次数:13  
标签:Node node Thread 实现 lock ReentrantLock 线程 原理 final

文章目录

ReentrantLock 基本使用

在Java中,synchronized 和 ReentrantLock 都是用于确保线程同步的锁,都属于可重入锁。
ReentrantLock 相对于 synchronized 具有以下特点:等待可中断,可以设置超时时间,可以设置为公平锁,支持多个条件变量。

可重入锁

可重入锁是指如果一个线程已经获取了某个对象的锁,那么它可以重新获取这个锁而不会被阻塞。

public class ReentrantLockTest {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void method1() {
        lock.lock(); // 第一次获取锁
        try {
            System.out.println("进入method1");
            method2(); // 调用method2,再次获取锁
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }

    public void method2() {
        lock.lock(); // 第二次获取锁
        try {
            System.out.println("进入method2");
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockTest lock = new ReentrantLockTest();
        lock.method1();
    }
}

在这里插入图片描述

等待可中断

等待可中断是指在使用lockInterruptibly()方法获取锁时,如果线程在等待获取锁的过程中被中断,那么该线程会抛出InterruptedException异常,从而中断等待的状态,这种方式可以避免线程一直等待下去,从而避免死锁的现象。

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println(("t1线程启动..."));
            try {
                lock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                System.out.println(("t1线程等锁的过程中被打断"));
                return;
            }
            try {
                System.out.println(("t1线程获得了锁"));
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        System.out.println(("main线程获得了锁"));
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
            t1.interrupt();
            System.out.println(("执行打断"));
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        }

在这里插入图片描述

设置超时时间

ReentrantLock的tryLock()方法支持等待一段时间后就放弃锁的争抢,该方法有两个重载版本:

  • boolean tryLock(): 尝试获取锁,如果成功则返回true,如果锁被其他线程持有则立即返回false。

  • boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit):尝试在指定的时间内获取锁,如果在指定时间内成功获取锁则返回true,如果在指定时间内未能获取锁则返回false。

无参的 tryLock()

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println(("t1线程启动..."));
            if (!lock.tryLock()) {
                System.out.println(("t1线程获取失败,返回"));
                return;
            }
            try {
                System.out.println(("t1线程获得了锁"));
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        System.out.println(("main线程获得了锁"));
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在这里插入图片描述

带时间参数的tryLock()

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println(("t1线程启动..."));
            try {
                if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println(("t1线程等待 1s 后失败,返回"));
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                System.out.println(("获得了锁"));
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        System.out.println(("main线程获得了锁"));
        t1.start();
        try {
           Thread.sleep(2000);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在这里插入图片描述

公平锁

默认情况下,ReentrantLock 是非公平锁,在非公平锁模式下,线程获取锁的顺序是不确定的,新来的线程有可能插入到等待队列的前面,从而插队获取锁;而在公平锁模式下,ReentrantLock 会严格按照线程请求锁的顺序来分配锁。
非公平锁的优点是性能比公平锁好,因为公平锁需要维护一个有序的等待队列,并且在分配锁时需要进行更多的同步操作,下面的源码会分析
非公平锁

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        lock.lock();
        for (int i = 0; i < 300; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "t" + i).start();
        }
        // 1s 之后去争抢锁
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start...");
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "强行插入").start();
        lock.unlock();
    }

在这里插入图片描述

公平锁

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

设置为公平锁后,强行插入的running会在最后才输出。
在这里插入图片描述

条件变量

ReentrantLock 可以支持多个条件变量,它提供了一个newCondition()方法,该方法返回一个与该锁关联的条件变量,可以通过调用这个方法来创建多个条件变量,条件变量通常用于线程间的通信,允许线程等待某个条件的发生,或者通知其他线程某个条件已经满足。

 private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition1 = lock.newCondition();
    private final Condition condition2 = lock.newCondition();
    private int state = 0;

    public void waitForCondition1() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (state != 1) {
                condition1.await();
            }
            System.out.println("Condition 1 is met");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void waitForCondition2() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (state != 2) {
                condition2.await();
            }
            System.out.println("Condition 2 is met");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void setState(int state) {
        lock.lock();
        try {
            this.state = state;
            if (state == 1) {
                condition1.signalAll();
            }
            if (state == 2) {
                condition2.signalAll();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockTest lockTest = new ReentrantLockTest();


        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            try {
                lockTest.waitForCondition1();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {

            try {
                lockTest.waitForCondition2();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        });

        thread1.start();
        thread2.start();

      
        try {
            //1 s后唤醒 thread1
            Thread.sleep(1000);
            lockTest.setState(1);
            //2 s后唤醒thread2
            Thread.sleep(1000);
            lockTest.setState(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

在这里插入图片描述

ReentrantLock 原理

在这里插入图片描述
从类图中可以看到 ReentrantrantLock 实现了 Lock 接口,其内部维护了一个同步器类 Sync,这个同步器类也是继承自 AQS,Sync是抽象的,有两个实现类,分别是非公平的与公平的

加锁流程

首先是构造方法,默认情况下是非公平锁实现。

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

非公平锁的加锁

  public void lock() {
        sync.lock();
    }
 final void lock() {
            // 尝试CAS方式将state从0改为1修改锁,如果修改成功了,就会将owner线程设置为当前线程
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

最开始的时候没有线程竞争锁,cas成功,将锁的拥有者线程设置为Thread-0。
在这里插入图片描述
当第二个线程过来竞争锁时,走else分支

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

在这里插入图片描述
第二个线程CAS失败,然后构造 Node双向链表组成的等待队列,Node节点的创建是懒惰的,Node 的 waitStatus 状态默认值为0,head指针指向的第一个 Node 称为 Dummy 哑元节点,不关联线程,主要作用是唤醒后继节点关联的线程去竞争锁。
在这里插入图片描述

然后Thread-1线程进入 acquireQueued 方法不停的自旋去尝试获取锁,经过两次自旋后如果还是获取不到锁就会park阻塞。
acquireQueued 方法首先判断当前节点是否头节点的后继节点,若是那么再次 tryAcquire 尝试获取锁,这时 state 仍为 1,获取失败进入 shouldParkAfterFailedAcquire 方法将前驱头结点的waitStatus 改为 -1(-1表明该节点有责任唤醒后继节点去竞争锁),返回false,然后再次自旋尝试获取锁,如果还是失败,进入parkAndCheckInterrupt() 调用LockSupport.park方法阻塞。
在这里插入图片描述

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
            //获取前驱节点
                final Node p = node.predecessor();
                //若当前节点是头结点的后继节点,那么会尝试去获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                //第一次执行到这会将将头结点的waitStatus改为-1
                //第二次执行到这会park阻塞住
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

调用LockSupport.park方法将thread-1阻塞(灰色表示被阻塞住)。
在这里插入图片描述

 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
 //阻塞当前线程
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

后续再有多个线程过来竞争锁,最终会变成这样子,除了最后一个节点,其他节点的waitStatus都为-1,-1表明当前节点有责任唤醒后继节点去竞争锁
在这里插入图片描述

解锁流程

使用完锁后,Thread-0调用unlock释放锁,如果释放成功,设置state = 0,exclusiveOwnerThread 为 null。
在这里插入图片描述

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    public final boolean release(int arg) {
        //若释放锁成功
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
         	//判断队列不为空,且waitStatus=-1则唤醒后继节点去竞争锁
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //若为0,则释放锁,将拥有者线程置为null
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

此时等待队列不为 null,并且 head 的 waitStatus = -1,那么找到头结点的后继节点,进入 unparkSuccessor 方法,unpark 恢复其节点关联的线程运行,也就是Thread-1线程,此时Thread-1 重新进入acquireQueued方法尝试去获取锁,由于state=0,Thread-1获取锁成功,通过cas方式将state改为1,并将锁的拥有者设置为当前线程Thread-1,然后head 指向Thread-1 所在的 Node,将 Node 设置为null, 原本的头节点从链表断开,从而被垃圾回收。
在这里插入图片描述

 private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        //status为-1,尝试cas修改0
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
        //唤醒阻塞的线程
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

由于默认情况下是非公平锁实现,那么在释放锁的过程中可能被其他的线程抢占,比如下面这种情况
在这里插入图片描述

Thread-4比Thread-1抢先判断state为0,然后立马通过cas将0改为1,再将exclusiveOwnerThread设为Thread-4,那么Thread-1 会再次进入 acquireQueued 方法重新调用park方法阻塞。

可重入锁原理

默认情况下为非公平锁实现,当尝试获取锁时,会调用nonfairTryAcquire方法,首先,它会检查state的状态,如果state为0,表示还没上锁,因此可以直接进行加锁,若state不为0,则表明已被占用,此时,方法会进一步判断当前线程是否与exclusiveOwnerThread中的线程相同,若相同,则表明发生了锁的重入,将state++。在释放锁的过程中,会调用tryRelease方法,该方法执行后,state的值会减1,当state减少至0时,锁会被释放,同时将exclusiveOwnerThread设置为null。

static final class NonfairSync extends Sync {
    // ...
 
    // 尝试加锁
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 已经获得了锁, 还是当前线程去获取锁, 表示发生了锁重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // state++
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}
 
    // 尝试释放锁
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // state--
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // state 减为 0, 锁释放成功
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

可打断原理

不可打断模式
在不可打断模式下,即使线程被打断,它仍会停留在AQS等待队列中,直到成功获取锁后才会知道被其他线程中断了,也就是打断标记被设置为true。
在默认情况下,线程获取锁的过程是不可打断的,当线程无法立即获得锁时,它会不断地自旋尝试获取,如果3次自旋后仍然失败,则会调用park进入阻塞状态,在阻塞状态下,线程可以被其他线程打断唤醒,如果线程被中断,中断标记会被设置为true,然后再次进入循环调用park进入阻塞状态。

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    // ...
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        // 若打断标记是 true, 则park会失效
        LockSupport.park(this);
        // interrupted判断是否被打断,然后会清除打断标记,清除了打断标记后线程还是能park住
        return Thread.interrupted();
    }

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //若node是头结点的后继节点
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    //head指针指向node
                    setHead(node);
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    // 获取到锁后才返回打断状态
                    return interrupted;
                }
                if (
                        shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                                parkAndCheckInterrupt()
                ) {
                    // park过程中如果被interrupt唤醒, 打断状态置为true
                    // 只是设置为 true,会再次进入循环,如果获得不了锁,再次调用park阻塞
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    public final void acquire(int arg) {
        if (
                !tryAcquire(arg) &&
                        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            // 如果打断状态为 true
            selfInterrupt();
        }
    }

    static void selfInterrupt() {
        // 再产生一次中断
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}

可打断模式
在可打断模式下,当线程通过调用 acquireInterruptibly() 方法尝试获取锁的过程中可以被打断,与不可打断模式区别在于,当线程被唤醒,会直接抛出InterruptedException异常,该异常会中断线程循环等待锁。

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 如果没有获得到锁
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }
 
    // 可打断的尝试获取锁
    private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt()) {
                    // 在 park 过程中如果被 interrupt唤醒会在这抛出异常, 结束循环等待
                    throw new InterruptedException();
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
}

公平锁原理

非公平锁通过nonfairTryAcquire去获取锁,首先判断state若为0说明没有线程拿锁,当前线程会直接去抢锁,不会做任何判断;而公平锁会多个判断条件,当 state为0时即还没有线程占这个锁时,先调用hasQueuedPredecessors() 方法判断队列中是否有前驱节点,没有才会去竞争锁。

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    // 尝试获取锁
    public final void acquire(int arg) {
        if (
                !tryAcquire(arg) &&
                        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            selfInterrupt();
        }
    }
    // 与非公平锁主要区别在于 tryAcquire 方法的实现
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 检查等待队列是否有前驱节点,没有才尝试加锁
            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;
    }

    // 判断队列是否有前驱节点
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        // h != t 时表示队列中有 Node节点
        return h != t &&
                (
                        // (s = h.next) == null 表示队列中没有第二个节点
                        (s = h.next) == null ||
                                // 第二个节点的线程不是当前线程
                                s.thread != Thread.currentThread()
                );
    }
}

条件变量原理

await 流程
执行流程:创建与当前线程关联的Node节点放入condition的等待队列中,Node的waitStatus为-2,表明该节点处于等待状态,再调用fullyRelease清空锁,将state设置为0,拥有者线程设置为null,唤醒头结点的后继节点线程去竞争锁,最后调用park进行阻塞。
在这里插入图片描述

public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
   			// 将线程加入到条件变量的等待队列中,并且将新的node状态设置为 -2
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            // If lastWaiter is cancelled, clean out.
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }


进入fullyRelease 方法,释放锁
在这里插入图片描述

final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            int savedState = getState();
            // release方法默认一次 -1
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }

然后 unpark 等待队列中的下一个节点去竞争锁,此时Thread-1 竞争成功
在这里插入图片描述
最后Thread-0 调用 park 进入阻塞状态。

signal 流程
假如 Thread-1 要来唤醒 Thread-0
在这里插入图片描述

public final void signal() {
    // 首先检查当前变量是否持有独占锁
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
    // 唤醒第一个节点
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }

进入doSignal 流程,得到等待队列中第一个 Node节点。

private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
                //将第一个节点转移至阻塞队列的尾部
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
 
        }

在这里插入图片描述
进入 transferForSignal 方法,将第一个Node节点加入阻塞队列尾部,再将 Thread-0 的 waitStatus 置为 0,Thread-3 的waitStatus 置为 -1。

final boolean transferForSignal(Node node) {
    	// cas将状态改为0
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

    	// 将节点加入队列尾部
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

在这里插入图片描述
等待Thread-1线程释放锁后,就会找到头节点的后继节点,调用unlock唤醒该节点所关联的线程去竞争锁。

标签:Node,node,Thread,实现,lock,ReentrantLock,线程,原理,final
From: https://blog.csdn.net/weixin_42828342/article/details/142725912

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