Java并发编程-ReentrantLock源码分析
一、前言
在分析了 AbstractQueuedSynchronier 源码后,接着分析ReentrantLock源码,其实在 AbstractQueuedSynchronizer 的分析中,已经提到过ReentrantLock,ReentrantLock表示下面具体分析ReentrantLock源码。
二、ReentrantLock数据结构
ReentrantLock的底层是借助AbstractQueuedSynchronizer实现,所以其数据结构依附于AbstractQueuedSynchronizer的数据结构,关于AQS的数据结构,在前一篇已经介绍过,不再累赘。
三、ReentrantLock源码分析
3.1 类的继承关系
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable
说明:ReentrantLock实现了Lock接口,Lock接口中定义了lock与unlock相关操作,并且还存在newCondition方法,表示生成一个条件。
3.2 类的内部类
ReentrantLock总共有三个内部类,并且三个内部类时紧密相关的,下面先看三个类的关系。
说明:ReentrantLock类内部总共存在Sync、NonfairSync、FairSync三个类,NonfairSync与FairSync类继承自Sync类,Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer抽象类。下面逐个进行分析。
1. Sync类
Sync类的源码如下
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 序列号private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;// 获取锁abstract void lock();// 非公平方式获取final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {// 当前线程final Thread current = Thread.currentThread();// 获取状态int c = getState();if (c == 0) { // 表示没有线程正在竞争该锁if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 比较并设置状态成功,状态0表示锁没有被占用// 设置当前线程独占 setExclusiveOwnerThread(current); return true; // 成功 }}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 当前线程拥有该锁int nextc = c + acquires; // 增加重入次数if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");// 设置状态 setState(nextc); // 成功return true; }// 失败return false;}// 试图在共享模式下获取对象状态,此方法应该查询是否允许它在共享模式下获取对象状态,如果允许,则获取它protected final boolean tryRelease(int releases) {int c = getState() - releases;if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) // 当前线程不为独占线程throw new IllegalMonitorStateException(); // 抛出异常// 释放标识boolean free = false; if (c == 0) {free = true;// 已经释放,清空独占setExclusiveOwnerThread(null); }// 设置标识 setState(c); return free; }// 判断资源是否被当前线程占有protected final boolean isHeldExclusively() {// While we must in general read state before owner,// we don't need to do so to check if current thread is ownerreturn getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();}// 新生一个条件final ConditionObject newCondition() {return new ConditionObject();}// Methods relayed from outer class// 返回资源的占用线程final Thread getOwner() { return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();}// 返回状态final int getHoldCount() { return isHeldExclusively() ? getState() : 0;}// 资源是否被占用final boolean isLocked() { return getState() != 0;}/*** Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).*/// 自定义反序列化逻辑private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {s.defaultReadObject();setState(0); // reset to unlocked state }}
说明:Sync类存在如下方法和作用如下。
2. NonfairSync类
NonfairSync类继承了Sync类,表示采用非公平策略获取锁,其实现了Sync类中抽象的lock方法,源码如下。
// 非公平锁static final class NonfairSync extends Sync {// 版本号private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;// 获得锁final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1)) // 比较并设置状态成功,状态0表示锁没有被占用// 把当前线程设置独占了锁 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());else // 锁已经被占用,或者set失败// 以独占模式获取对象,忽略中断acquire(1); }protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);}}
说明:从lock方法的源码可知,每一次都尝试获取锁,而并不会按照公平等待的原则进行等待,让等待时间最久的线程获得锁。
3. FairSyn类
FairSync类也继承了Sync类,表示采用公平策略获取锁,其实现了Sync类中的抽象lock方法,源码如下。
// 公平锁static final class FairSync extends Sync {// 版本序列化private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;final void lock() {// 以独占模式获取对象,忽略中断acquire(1);}/*** Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless* recursive call or no waiters or is first.*/// 尝试公平获取锁protected final boolean tryAcquire(int acquires) {// 获取当前线程final Thread current = Thread.currentThread();// 获取状态int c = getState();if (c == 0) { // 状态为0if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) { // 不存在已经等待更久的线程并且比较并且设置状态成功// 设置当前线程独占 setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 状态不为0,即资源已经被线程占据// 下一个状态int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // 超过了int的表示范围throw new Error("Maximum lock count exceeded");// 设置状态 setState(nextc);return true;}return false;}}
说明:跟踪lock方法的源码可知,当资源空闲时,它总是会先判断sync队列(AbstractQueuedSynchronizer中的数据结构)是否有等待时间更长的线程,如果存在,则将该线程加入到等待队列的尾部,实现了公平获取原则。其中,FairSync类的lock的方法调用如下,只给出了主要的方法。
说明:可以看出只要资源被其他线程占用,该线程就会添加到sync queue中的尾部,而不会先尝试获取资源。这也是和Nonfair最大的区别,Nonfair每一次都会尝试去获取资源,如果此时该资源恰好被释放,则会被当前线程获取,这就造成了不公平的现象,当获取不成功,再加入队列尾部。
3.3 类的属性
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {// 序列号private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L; // 同步队列private final Sync sync; }
说明:ReentrantLock类的sync非常重要,对ReentrantLock类的操作大部分都直接转化为对Sync和AbstractQueuedSynchronizer类的操作。
3.4 类的构造函数
1. ReentrantLock()型构造函数
public ReentrantLock() {// 默认非公平策略sync = new NonfairSync();}
说明:可以看到默认是采用的非公平策略获取锁。
2. ReentrantLock(boolean)型构造函数
public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}
说明:可以传递参数确定采用公平策略或者是非公平策略,参数为true表示公平策略,否则,采用非公平策略。
3.5 类的核心函数分析
通过分析ReentrantLock的源码,可知对其操作都转化为对Sync对象的操作,由于Sync继承了AQS,所以基本上都可以转化为对AQS的操作。如将ReentrantLock的lock函数转化为对Sync的lock函数的调用,而具体会根据采用的策略(如公平策略或者非公平策略)的不同而调用到Sync的不同子类。
所以可知,在ReentrantLock的背后,是AQS对其服务提供了支持,由于之前我们分析AQS的核心源码,遂不再累赘。下面还是通过例子来更进一步分析源码。
四、示例分析
4.1 公平锁
package com.hust.grid.leesf.abstractqueuedsynchronizer;import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;class MyThread extends Thread {private Lock lock;public MyThread(String name, Lock lock) {super(name);this.lock = lock;}public void run () {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread() + " running");try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}} finally {lock.unlock();}} }public class AbstractQueuedSynchonizerDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Lock lock = new ReentrantLock(true);MyThread t1 = new MyThread("t1", lock); MyThread t2 = new MyThread("t2", lock);MyThread t3 = new MyThread("t3", lock);t1.start();t2.start(); t3.start();} }
运行结果(某一次):
Thread[t1,5,main] running
Thread[t2,5,main] running Thread[t3,5,main] running
说明:该示例使用的是公平策略,由结果可知,可能会存在如下一种时序。
说明:首先,t1线程的lock操作 -> t2线程的lock操作 -> t3线程的lock操作 -> t1线程的unlock操作 -> t2线程的unlock操作 -> t3线程的unlock操作。根据这个时序图来进一步分析源码的工作流程。
① t1线程执行lock.lock,下图给出了方法调用中的主要方法。
说明:由调用流程可知,t1线程成功获取了资源,可以继续执行。
② t2线程执行lock.lock,下图给出了方法调用中的主要方法。
说明:由上图可知,最后的结果是t2线程会被禁止,因为调用了LockSupport.park。
③ t3线程执行lock.lock,下图给出了方法调用中的主要方法。
说明:由上图可知,最后的结果是t3线程会被禁止,因为调用了LockSupport.park。
④ t1线程调用了lock.unlock,下图给出了方法调用中的主要方法。
说明:如上图所示,最后,head的状态会变为0,t2线程会被unpark,即t2线程可以继续运行。此时t3线程还是被禁止。
⑤ t2获得cpu资源,继续运行,由于t2之前被park了,现在需要恢复之前的状态,下图给出了方法调用中的主要方法。
说明:在setHead函数中会将head设置为之前head的下一个结点,并且将pre域与thread域都设置为null,在acquireQueued返回之前,sync queue就只有两个结点了。
⑥ t2执行lock.unlock,下图给出了方法调用中的主要方法。
说明:由上图可知,最终unpark t3线程,让t3线程可以继续运行。
⑦ t3线程获取cpu资源,恢复之前的状态,继续运行。
说明:最终达到的状态是sync queue中只剩下了一个结点,并且该节点除了状态为0外,其余均为null。
⑧ t3执行lock.unlock,下图给出了方法调用中的主要方法。
说明:最后的状态和之前的状态是一样的,队列中的一个结点会被GC,最后队列会为空。
使用公平策略和Condition的情况可以参考上一篇关于AQS的源码示例分析部分,不再累赘。
五、总结
再掌握了AQS后,再来分析ReentrantLock的源码,就会非常简单,因为ReentrantLock的绝大部分操作都是基于AQS类的。所以,进行分析时要找准方向,就会事半功倍。谢谢各位园友观看~
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