Java并发中的ReentrantLock和AQS的源码详解

2021-08-04 11:28:49 浏览数 (1803)

说起 Java 的并发就不得不提到 ReentrantLock，说起 ReentrantLock 就不得不说到 AQS。下面，我将为大家简单地聊聊 Java 并发中的 ReentrantLock和AQS，剖析一下此二者的源码。

一.前言

首先在聊ReentrantLock之前，我们需要知道整个JUC的并发同步的基石，currrent里面所有的共享变量都是由volatile修饰的，我们知道volatile的语义有2大特点，可见性以及防止重排序（内存屏障，volatie写与volatile读）
1、当第二个操作为volatile写操做时,不管第一个操作是什么(普通读写或者volatile读写),都不能进行重排序。这个规则确保volatile写之前的所有操作都不会被重排序到volatile之后;

2、当第一个操作为volatile读操作时,不管第二个操作是什么,都不能进行重排序。这个规则确保volatile读之后的所有操作都不会被重排序到volatile之前;

3、当第一个操作是volatile写操作时,第二个操作是volatile读操作,不能进行重排序。
而cas操作同时包含了volatile写/读语义，这二者的完美结合就组成了current的基石

二.ReentrantLock的基础用法

1.

public class ReentrantLockText {
		
	public static void main(String[] args) {
		Lock lock = new ReentrantLock();
		
		
		Thread t1 = new Thread(()->{
			try {
				lock.lock();
				System.out.println("t1 start");
				TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
				System.out.println("t1 end");
			} catch (InterruptedException e) {
				System.out.println("interrupted!");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		});
		t1.start();
		
		Thread t2 = new Thread(()->{
			try {
				//lock.lock();
				lock.lockInterruptibly(); //可以对interrupt()方法做出响应
				System.out.println("t2 start");
				TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
				System.out.println("t2 end");
			} catch (InterruptedException e) {
				System.out.println("interrupted!");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		});
		t2.start();
		
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		t2.interrupt(); //打断线程2的等待
		
	}
}

运行结果

reentrantlock用于替代synchronized

  • 需要注意的是，必须要必须要必须要手动释放锁（重要的事情说三遍）
  • 使用syn锁定的话如果遇到异常，jvm会自动释放锁，但是lock必须手动释放锁，因此经常在finally中进行锁的释放
  • 使用reentrantlock可以进行“尝试锁定”tryLock，这样无法锁定，或者在指定时间内无法锁定，线程可以决定是否继续等待
  • 使用ReentrantLock还可以调用lockInterruptibly方法，可以对线程interrupt方法做出响应
  • 在一个线程等待锁的过程中，可以被打断

2.ReentrantLock还有一个tryLock（time），可以指定时间，如果指定时间内没有获得锁，则放弃，可以通过其返回值来决定是否继续等待

3.还有就是Condition了（我个人觉得这是最灵活的一个地方）

public class Lock_condition {

    public static void main(String[] args) {

        char[] aI = "1234567".toCharArray();
        char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();

        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition conditionT1 = lock.newCondition();
        Condition conditionT2 = lock.newCondition();

        new Thread(()->{
            try {
                lock.lock();

                for(char c : aI) {
                    System.out.print(c);
                    conditionT2.signal();
                    conditionT1.await();
                }
                conditionT2.signal();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        }, "t1").start();

        new Thread(()->{
            try {
                lock.lock();

                for(char c : aC) {
                    System.out.print(c);
                    conditionT1.signal();
                    conditionT2.await();
                }

                conditionT1.signal();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        }, "t2").start();
    }
}

这是condition结合lock（独占锁）的用法
condition目前只实现了独占锁，关于condition的源码理解，后续也会继续更新，暂时我们只需要知道类似object的wait与notifiy

三.原理+源码

我们现在知道了基本用法，那么我们就可以开始探究源码了

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1.AQS
我们知道JUC里面的核心类就是AQS，那么AQS究竟是个啥东西呢？
1）先上内部类NODE源码

static final class Node {
        static final Node SHARED = new Node();
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int PROPAGATE = -3;
        volatile int waitStatus;
        volatile Node next;
        volatile Node prev;
        volatile Thread thread;
        Node nextWaiter;

不知道大家在看到这个 Node next;Node prev;的时候是啥感觉，反正我当时是激动坏了，这不就是一个双向链表嘛，
再看volatile Thread thread;这个属性，这是一个管理线程的双向链表，换句话说就是将线程打包成立节点放入AQS的链表中
基础的结构清楚之后。
SHARED 与EXCLUSIVE 代表是独占节点还是共享节点
2)再上AQS属性源码

private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    private volatile int state;

Node0 head与tail不用说，这是来管理节点的，
这里我们要核心介绍一个属性是state，这也是AQS这个类的灵魂,
1.再独占锁中这个state是1或者0，（如果大于1则表示锁重入，这个稍后会有源码分析）
2在共享锁中代表还有多少共享锁资源，
3.在读写锁中，高16位代表写锁是否被占用，低16位代表有多少读锁，
4.在CountDownLatch中，通过构造参数代码门闸剩余个数
5.在Semaphore中，同样通过构造参数代表信号灯个数

2.ReentrantLock获取锁源码（独占锁）
首先公平锁与非公平锁，分别继承与Sync
FairSync NoFairSync ，默认是非公平锁，可以在构造方法上指定

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);//ture则是公平锁

公平锁故名思意，在AQS中管理着一个线程队列，如果这时候 有一个线程过来抢这把锁，如果是公平锁，那么会判断队列是不是存在不同与当前线程的等待队列（FIFO），如果存在则去排队，非公平锁则是直接去排队
（2.1.非公平锁获取锁）

final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))//cas原子操作尝试去修改值，如果修改成功说明成功获取到了锁
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

首先cas原子操作尝试去修改值，如果修改成功说明成功获取到了锁,进入setExclusiveOwnerThread（）方法

protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

将当前线程记录，实现偏向锁，一行代码便完美实现了偏向锁！！

如果失败则，调用acquire（）；这个方法调用的实际上是子类的nonfairTryAcquire方法

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;
        }

首先，获取state的值，判断是否为0，如果为0，则说明锁没有被占有，（可能是刚刚被释放）那么cas操作开始尝试获取锁，
**（注意注意注意）**重要的事情说三遍，这里仅仅尝试获取一次，没有自旋！！这是独占锁与共享锁的区别之一，因为如果state>=0(对于共享锁来说state代表剩余数量)，那么共享锁会不断尝试自旋获取锁，之道state<0,因为只要》0那么就可能共享到锁
接下来的else if就是重入锁的操作了，判断当先线程是不是记录的线程，如果是，每次重入state+1，如果不是就返回flase，直接拜拜
（2.2公平锁获取锁）
刚刚介绍了公平锁的意义，所有直接上源码，公平锁比非公平锁多了一个公平判断

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

我们可以看到hasQueuedPredecessors是用来判断队列是否有不同于当前线程的节点等待，这里重点讨论一个情况，
h != t返回true，(s = h.next) == null返回true
首先可以知道队列中有2个节点，但是头节点没有后继结点，在这里列举一种情况，有另一个线程已经执行到初始化队列的操作了，介于compareAndSetHead(new Node())与tail = head之间，也就是之后说的enq自旋方法，请继续往下看

继续如果非公平锁没有获取到锁，那么会调用acquireQueued和addwaiter方法

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

首先来看addwaiter方法

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;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

首先将，当前线程封装成一个，Node，然后通过判断尾结点是不是空的方式，判断队列是不是空的，如果存在尾结点，那么直接进先驱后继的改造，放入双向链表，完成链表结构，那么如果是空的呢？这么调用了一个enq的自旋方法

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

我们可以看到这个一个自旋方法，第一次循环：t为null，那么cas就new出来一个新结点，头尾都指向这个新结点，
第二次循环，将传进来的这个线程结点的前驱指向刚刚new的这个结点，然后cas操作进行，将这个线程结点替换为尾部结点，然后head后继指向线程结点，返回head
经过二次循环，得到了一个由2个节点组成的队列，head-》node，head是假节点（里面不包括线程为null），node才是真正的线程结点（addwrite封装好的传进来的线程结点）
问题1.为什么一定要用cas操作，因为防止别的线程修改了该队列

好，现在我们继续，看acquireQueued

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);
        }
    }

这是一个最最核心的方法，从队列中取线程
首先这是一个自旋，判断该节点的前驱节点是不是head，因为（FIFO）先进先出队列。
如果不是直接拜拜进入shouldParkAfterFailedAcquire，继续上源码

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;

  1. CANCELLED：因为超时或者中断，结点会被设置为取消状态，被取消状态的结点不应该去竞争锁，只能保持取消状态不变，不能转换为其他状态。处于这种状态的结点会被踢出队列，被GC回收；
  2. SIGNAL：表示这个结点的继任结点被阻塞了，到时需要通知它；
  3. CONDITION：表示这个结点在条件队列中，因为等待某个条件而被阻塞；
  4. PROPAGATE：使用在共享模式头结点有可能牌处于这种状态，表示锁的下一次获取可以无条件传播；
  5. 0：None of the above，新结点会处于这种状态。

首先说明一下waitStatus这个属性，为什么之前不提呢，因为之前没有对waitStatus进行操作，我们在new节点与封装结点的时候没有考虑这个属性，所以我们现在当成一个新属性，值为0来看待，

shouldParkAfterFailedAcquire这个代码的逻辑意义是说明呢？
如果是SIGNAL那么，直接ture，
如果大于0，则是CANCELLED，被取消了，直接剔除队列
如果都不是，那么将其前驱结点设为SIGNAL，也就是可以安心睡觉了，定好闹钟了，可以被等着唤醒了，
我们现在很明显是第三种，因为之前啥都没干，就是0，
所以本来状态

进行shouldParkAfterFailedAcquire之后，
那么现在链表中，对线程1的前驱设闹钟，0变成-1

20214892653069

假设这时候又来了个线程2，那么同理，对线程而的先驱设闹钟0变成-1

20214892720173

在调用了shouldParkAfterFailedAcquire（）之后，调用parkAndCheckInterrupt方法用于阻塞，

这里提一下，关于parkAndCheckInterrupt，lock里面用于阻塞都是基于lockSupper.park()与lockSupper.unpark()完成了，而lockSupper调用的又是unsafe这个类，我们知道java是基于jvm实现的，并不能和c++一样直接对os进行操作，所以jvm给我们提供了一个梯子，这个梯子就是unsafe这个类，直接将线程的的交个操作系统阻塞

四,释放锁

终于到了释放锁，独占锁的释放锁的逻辑相对与共享锁来说比较简单，后续我也会继续更新共享锁的源码

public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

首先我们来看tryRelease方法，

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;
        }

首先获取，int c = getState() - releases;这里可能c是>0的，因为独占锁的重入锁（上面以及说明了独占锁的重入的源码操作），所以有可能是需要进行多次解锁的，继续
判断当前线程是不是独占线程，如果不是则报IllegalMonitorStateException异常
一直解锁到c=0的时候，那么线程已经解锁，则设setExclusiveOwnerThread=null
设置当前独占线程为null，然后设置state为0

继续回到release，如果头节点不是null而且h.waitStatus != 0，说明是-1，说明设置闹钟了，需要唤醒aqs队列中的阻塞结点，调用的是unparkSuccessor方法，继续看源码

 private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        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)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

这里首先明确，这里传进来的node是啥？是头节点！！！！，一定要明确这个，博主就是因为刚开始没明确这个，半天没明白，因为唤醒一定是唤醒头节点之后的waitStatus不为1的结点

首先判断头节点，如果是-1则设置为0，这个中间状态，表示有结点被唤醒了，
然后拿到，head的后继节点，进行判断，如何是null或者waitStatus >0，（就是1，CANCELLED，代表被取消了），这个时候从尾部开始遍历，剔除waitStatus >0的节点，找到第一个waitStatus <=0的节点，用LockSupport.unpark(s.thread);将其唤醒，唤醒之后的线程回到acquireQueued方法中，

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
            //被阻塞的线程，被唤醒后在进行循环，
            //然后通过return interrupted;
                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);
        }
    }

首先，将该结点设置为head，然后将老head指向null，帮助gc回收，然后return返回，至此线程自由
那么此时该队列为

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五，总结

写了很久，如果有啥不对的地方，欢迎大家指正

以上就是 Java 并发中的 ReentrantLock 和 AQS 源码的详细内容，想要了解更多关于 Java 并发的 ReentrantLock 和 AQS 的其他资料请关注W3Cschool其它相关文章！