通俗易懂的ReentrantLock,不懂你来砍我
前言
自己开的坑,跪着也要填完,欢迎来到Java并发编程系列第五篇ReentrantLock
,文章风格依然是图文并茂,通俗易懂,本文带读者们深入理解ReentrantLock
设计思想。
认识下ReentrantLock
阿星先带读者们和ReentrantLock
见个面,简单的认识下什么是ReentrantLock
。
ReentrantLock
是可重入的互斥锁,虽然具有与synchronized
相同功能,但是会比synchronized
更加灵活(具有更多的方法)。
ReentrantLock
底层基于AbstractQueuedSynchronizer
实现,AbstractQueuedSynchronizer
在前一篇已经详细解剖过了,本文不做过多描述,但是会简单的介绍下,照顾小白。
AbstractQueuedSynchronizer
抽象类定义了一套多线程访问共享资源的同步模板,解决了实现同步器时涉及的大量细节问题,能够极大地减少实现工作,用大白话来说,AbstractQueuedSynchronizer
为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数,只有少量细节由子类自己决定。
经过上述介绍,相信读者们对ReentrantLock
有了初步的影响,下面开始发车了~
ReentrantLock结构组成
阿星觉得,学任何知识的第一件事,就是看清它的全貌,梳理出整体结构与主流程,之后逐个击破,所以阿星带读者们先看下ReentrantLock
整体结构组成,对它的实现有个大致的了解。
上图可以看出来,ReentrantLock
整体结构还是非常简单,阿星给读者们分析一波,为什么ReentrantLock
结构是这样设计的,首先ReentrantLock
实现了Lock
接口,Lock
接口是Java
中对锁操作行为的统一规范,遵守规则规范是守法公民的基本素养,合情合理,Lock
接口的定义如下
public interface Lock {/*** 获取锁*/void lock();/*** 获取锁-响应中断 */void lockInterruptibly() throws InterruptedException;/*** 返回获取锁是否成功状态*/boolean tryLock();/*** 返回获取锁是否成功状态-响应中断 */boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;/*** 释放锁*/void unlock();/*** 创建条件变量*/Condition newCondition();
}
Lock
接口定义的函数不多,接下来ReentrantLock
要去实现这些函数,遵循着解耦可扩展设计,ReentrantLock
内部定义了专门的组件Sync
, Sync
继承AbstractQueuedSynchronizer
提供释放资源的实现,NonfairSync
和FairSync
是基于Sync
扩展的子类,即ReentrantLock
的非公平模式与公平模式,它们作为Lock
接口功能的基本实现。
大白话来说,企业的老板,为了响应政府的政策,需要对企业内部做调整,但是政府每年政策都不一样,每次都要自己去亲力亲为,索性长痛不如短痛,专门成立一个政策应对部门,以后这些事情都交予这个部门去做,老板只需要指挥它们就好了。
ReentrantLock
结构组成读者们也清楚了,下面阿星只需对Sync、NonfairSync、FairSync
逐个击破,ReentrantLock
自然水到渠成。
小贴士:在
ReentrantLock
中,它对AbstractQueuedSynchronizer
的state
状态值定义为线程获取该锁的重入次数,state
状态值为0
表示当前没有被任何线程持有,state
状态值为1
表示被其他线程持有,因为支持可重入,如果是持有锁的线程,再次获取同一把锁,直接成功,并且state
状态值+1
,线程释放锁state
状态值-1
,同理重入多次锁的线程,需要释放相应的次数。
Sync
Sync
可以说是ReentrantLock
的亲儿子,它寄托了全村的希望,完美的继承了AbstractQueuedSynchronizer
,是ReentrantLock
的核心,后面的NonfairSync
与FairSync
都是基于Sync
扩展出来的子类。
听阿星吹完了Sync
,下面就来看看Sync
类定义的核心部分
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;/*** 获取锁-子类实现*/abstract void lock();/*** 非公平-获取资源*/final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {//获取当前线程final Thread current = Thread.currentThread();//获取当前状态int c = getState();if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取//cas设置state为acquires,acquires传入的是1if (compareAndSetState(0, acquires)) {//cas成功,设置当前持有锁的线程setExclusiveOwnerThread(current);//返回成功return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程,直接重入//state状态+1int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");//设置state状态,此处不需要cas,因为持有锁的线程只有一个 setState(nextc);//返回成功return true;}//返回失败return false;}/*** 释放资源*/protected final boolean tryRelease(int releases) {//state状态-releases,releases传入的是1int c = getState() - releases;if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //如果当前线程不是持有锁线程,抛出异常throw new IllegalMonitorStateException();//设置返回状态,默认为失败boolean free = false;if (c == 0) {//state-1后,如果c==0代表释放资源成功//返回状态设置为truefree = true;//清空持有锁线程setExclusiveOwnerThread(null);}//如果state-1后,state还是>0,代表当前线程有锁重入操作,需要做相应的释放次数,设置state值setState(c);return free;}
}
阿星发现Sync
有点偏心,首先Sync
实现释放资源的细节(A Q S
留给子类实现的tryRelease
),然后声明了获取锁的抽象函数(lock
),子类根据业务实现,目前看来还是很公平,但是Sync
还定义了一个nonfairTryAcquire
函数,这个函数是专门给NonfairSync
使用的,FairSync
却没有这种待遇,所以说Sync
偏心。
Sync
逻辑都比较简单,实现了A Q S
类的释放资源(tryRelease
),然后抽象了一个获取锁的函数让子类自行实现(lock
),再加一个偏心的函数nonfairTryAcquire
,但是再怎么简单,图还是要有的,这是阿星读者们的福利。
下面放一张tryRelease
流程图,在后续的NonfairSync、FairSync
都会有全面的流程。
NonfairSync
现在我们把视线转移到NonfairSync
,在ReentrantLock
中支持两种获取锁的策略,分别是非公平策略与公平策略,NonfairSync
就是非公平策略。
此时读者会有问道,阿星什么是非公平策略?
在说非公平策略前,先简单的说下A Q S(AbstractQueuedSynchronizer)
流程,A Q S
为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数,加锁与解锁的模板流程是,获取锁失败的线程,会进入CLH
队列阻塞,其他线程解锁会唤醒CLH
队列线程,如下图所示(简化流程)
上图中,线程释放锁时,会唤醒CLH
队列阻塞的线程,重新竞争锁,要注意,此时可能还有非CLH
队列的线程参与竞争,所以非公平就体现在这里,非CLH
队列线程与CLH
队列线程竞争,各凭本事,不会因为你是CLH
队列的线程,排了很久的队,就把锁让给你。
了解了什么是非公平策略,我们再来看看NonfairSync
类定义
static final class NonfairSync extends Sync {private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;/*** 获取锁*/final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1))//cas设置state为1成功,代表获取资源成功 //资源获取成功,设置当前线程为持有锁线程setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());else//cas设置state为1失败,代表获取资源失败,执行AQS获取锁模板流程,否获取资源成功acquire(1);}/*** 获取资源-使用的是Sync提供的nonfairTryAcquire函数*/protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);}}/*** AQS获取锁模板函数,这是AQS类中的函数*/public final void acquire(int arg) {/*** 我们只需要关注tryAcquire函数,后面的函数是AQS获取资源失败,线程节点进入CLH队列的细节流程,本文不关注*/if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();}
NonfairSync
继承Sync
实现了lock
函数,lock
函数也非常简单,C A S
设置状态值state
为1
代表获取锁成功,否则执行A Q S
的acquire
函数(获取锁模板),另外NonfairSync
还实现了A Q S
留给子类实现的tryAcquire
函数(获取资源),这个被Sync
宠幸的幸运儿,直接使用Sync
提供的nonfairTryAcquire
函数来实现tryAcquire
,最后子类实现的tryAcquire
函数在A Q S
的acquire
函数中被使用。
是不是有点绕?没事阿星带大家一起缕一缕
首先A Q S
的acquire
函数是获取锁的流程模板,模板流程会先执行tryAcquire
函数获取资源,tryAcquire
函数要子类实现,NonfairSync
作为子类,实现了tryAcquire
函数,具体实现是调用了Sync
的nonfairTryAcquire
函数。
接下来,我们再看看Sync
专门给NonfairSync
准备的nonfairTryAcquire
函数逻辑
/*** 非公平-获取资源*/final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {//获取当前线程final Thread current = Thread.currentThread();//获取当前状态int c = getState();if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取//cas设置state为acquires,acquires传入的是1if (compareAndSetState(0, acquires)) {//cas成功,设置当前持有锁的线程setExclusiveOwnerThread(current);//返回成功return true;}}//如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程,直接重入else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//state状态+1int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");//设置state状态,此处不需要cas,因为持有锁的线程只有一个 setState(nextc);//返回成功return true;}//返回失败return false;}
阿星对上述代码逻辑做个简单的概括,当前线程查看资源是否可获取:
可获取,尝试使用
C A S
设置state
为1
,C A S
成功代表获取资源成功,否则获取资源失败不可获取,判断当线程是不是持有锁的线程,如果是,
state
重入计数,获取资源成功,否则获取资源失败
就两句话,是不是十分简单,虽然简单但阿星还是画了一张nonfairTryAcquire
流程图给读者们观赏
FairSync
有非公平策略,就有公平策略,FairSync
就是ReentrantLock
的公平策略。
所谓公平策略就是,严格按照CLH
队列顺序获取锁,线程释放锁时,会唤醒CLH
队列阻塞的线程,重新竞争锁,要注意,此时可能还有非CLH
队列的线程参与竞争,为了保证公平,一定会让CLH
队列线程竞争成功,如果非CLH
队列线程一直占用时间片,那就一直失败(构建成节点插入到CLH
队尾,由A S Q
模板流程执行),直到时间片轮到CLH
队列线程为止,所以公平策略的性能会更差。
了解了什么是公平策略,我们再来看看FairSync
类定义
static final class FairSync extends Sync {private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;/*** 获取锁*/final void lock() {//cas设置state为1失败,代表获取资源失败,执行AQS获取锁模板流程,否获取资源成功acquire(1);}/*** 获取资源*/protected final boolean tryAcquire(int acquires) {//获取当前线程final Thread current = Thread.currentThread();//获取state状态int c = getState();if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取//1.hasQueuedPredecessors判断当前线程是不是CLH队列被唤醒的线程,如果是执行下一个步骤//2.cas设置state为acquires,acquires传入的是1if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {//cas成功,设置当前持有锁的线程setExclusiveOwnerThread(current);//返回成功return true;}}//如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程,直接重入else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//state状态+1int nextc = c + acquires;if (nextc < 0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");//设置state状态,此处不需要cas,因为持有锁的线程只有一个 setState(nextc);//返回成功return true;}return false;}}/*** AQS获取锁模板函数,这是AQS类中的函数*/public final void acquire(int arg) {/*** 我们只需要关注tryAcquire函数,后面的函数是AQS获取资源失败,线程节点进入CLH队列的细节流程,本文不关注*/if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();}
其实我们不难发现FairSync
流程与NonfairSync
基本一致,唯一的区别就是在C A S
执行前,多了一步hasQueuedPredecessors
函数,这一步就是判断当前线程是不是CLH
队列被唤醒的线程,如果是就执行C A S
,否则获取资源失败,下面水一张图
Lock的实现
最后阿星带大家看看ReentrantLock
中是如何实现Lock
的,先看构造器部分
//同步器private final Sync sync;//默认使用非公平策略public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();}//true-公平策略 false非公平策略public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}
ReentrantLock
默认是使用非公平策略,如果想指定模式,可以通过入参fair
来选择,这里就不做过多概述,接下来看看ReentrantLock
对Lock
的实现
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;//同步器private final Sync sync;//默认使用非公平策略public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();}//true-公平策略 false非公平策略public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}/*** 获取锁-阻塞*/public void lock() {//基于sync实现sync.lock();}/*** 获取锁-阻塞,支持响应线程中断*/public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {//基于sync实现sync.acquireInterruptibly(1);}/*** 获取资源,返回是否成功状态-非阻塞*/public boolean tryLock() {//基于sync实现return sync.nonfairTryAcquire(1);}/*** 获取锁-阻塞,支持超时 */public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {//基于sync实现 return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));}/*** 释放锁*/public void unlock() {//基于sync实现sync.release(1);}/*** 创建条件变量*/public Condition newCondition() {//基于sync实现return sync.newCondition();}}
是不是特别简单,ReentrantLock
对Lock
的实现都是基于Sync
来做的,有一种神器在手,天下我有的风范。
Sync
承包了所有事情,为何它如此牛皮,因为Sync
上有AbstractQueuedSynchronizer
老大哥罩着,下有NonfairSync
与FairSync
两小弟可差遣,所以成为ReentrantLock
的利器也合情合理。
最后阿星肝一张结合A Q S
的流程图,来结束ReentrantLock
。
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