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【源码篇】深入Lock锁底层原理实现,手写一个可重入锁

互联网 diligentman 2周前 (10-16) 13次浏览

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作者丨黎杜  来源丨非科班的科班

synchronized与lock

lock是一个接口,而synchronized是在JVM层面实现的。synchronized释放锁有两种方式:

  1. 获取锁的线程执行完同步代码,释放锁 。

  2. 线程执行发生异常,jvm会让线程释放锁。

lock锁的释放,出现异常时必须在finally中释放锁,不然容易造成线程死锁。lock显式获取锁和释放锁,提供超时获取锁、可中断地获取锁。

synchronized是以隐式地获取和释放锁,synchronized无法中断一个正在等待获取锁的线程。

synchronized原始采用的是CPU悲观锁机制,即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换,当有很多线程竞争锁的时候,会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。

Lock用的是乐观锁方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁实现的机制就是CAS操作。

具体的悲观锁和乐观锁的详细介绍请参考这篇文章[浅谈数据库乐观锁、悲观锁]

JDK5中增加了一个Lock接口实现类ReentrantLock.它不仅拥有和synchronized相同的并发性和内存语义,还多了锁投票,定时锁,等候和中断锁等.它们的性能在不同的情况下会有不同。

资源竞争不是很激烈的情况下,synchronized的性能要由于ReentrantLock,但是在资源竞争很激烈的情况下,synchronized的性能会下降得非常快,而ReentrantLock的性能基本保持不变.

接下来我们会进一步研究ReentrantLock的源代码,会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState

lock源码

在阅读源码的成长的过程中,有很多人会遇到很多困难,一个是源码太多,另一方面是源码看不懂。在阅读源码方面,我提供一些个人的建议:

  1. 第一个是抓主舍次,看源码的时候,很多人会发现源码太长太多,看不下去,这就要求我们抓住哪些是核心的方法,哪些是次要的方法。当舍去次要方法,就会发现代码精简和很多,会大大提高我们阅读源码的信心。

  2. 第二个是不要死扣,有人看源码会一行一行的死扣,当看到某一行看不懂,就一直停在那里死扣,知道看懂为止,其实很多时候,虽然看不懂代码,但是可以从变量名和方法名知道该代码的作用,java中都是见名知意的。

接下来进入阅读lock的源码部分,在lock的接口中,主要的方法如下:

public interface Lock {
    // 加锁
    void lock();
    // 尝试获取锁
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    // 解锁
    void unlock();
}

在lock接口的实现类中,最主要的就是ReentrantLock,来看看ReentrantLocklock()方法的源码:

    // 默认构造方法,非公平锁
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    // 构造方法,公平锁
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    // 加锁
    public void lock() {
        sync.lock();
    }

在初始化lock实例对象的时候,可以提供一个boolean的参数,也可以不提供该参数。提供该参数就是公平锁,不提供该参数就是非公平锁。

什么是非公平锁和公平锁呢?

非公平锁就是不按照线程先来后到的时间顺序进行竞争锁,后到的线程也能够获取到锁,公平锁就是按照线程先来后到的顺序进行获取锁,后到的线程只能等前面的线程都获取锁完毕才执行获取锁的操作,执行有序。

我们来看看lock()这个方法,这个有区分公平锁和非公平锁,这个两者的实现不同,先来看看公平锁,源码如下:

// 直接调用 acquire(1)
final void lock() {
     acquire(1);
 }

我们来看看acquire(1)的源码如下:

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

这里的判断条件主要做两件事:

  1. 通关过该方法tryAcquire(arg)尝试的获取锁

  2. 若是没有获取到锁,通过该方法acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)就将当前的线程加入到存储等待线程的队列中。

其中tryAcquire(arg)是尝试获取锁,这个方法是公平锁的核心之一,它的源码如下:

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
             // 获取当前线程 
            final Thread current = Thread.currentThread();
            // 获取当前线程拥有着的状态
            int c = getState();
            // 若为0,说明当前线程拥有着已经释放锁
            if (c == 0) {
                 // 判断线程队列中是否有,排在前面的线程等待着锁,若是没有设置线程的状态为1。
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    // 设置线程的拥有着为当前线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
                // 若是当前的线程的锁的拥有者就是当前线程,可重入锁
            } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                // 执行状态值+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // 设置status的值为nextc
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

tryAcquire()方法中,主要是做了以下几件事:

  1. 判断当前线程的锁的拥有者的状态值是否为0,若为0,通过该方法hasQueuedPredecessors()再判断等待线程队列中,是否存在排在前面的线程。

  2. 若是没有通过该方法 compareAndSetState(0, acquires)设置当前的线程状态为1。

  3. 将线程拥有者设为当前线程setExclusiveOwnerThread(current)

  4. 若是当前线程的锁的拥有者的状态值不为0,说明当前的锁已经被占用,通过current == getExclusiveOwnerThread()判断锁的拥有者的线程,是否为当前线程,实现锁的可重入。

  5. 若是当前线程将线程的状态值+1,并更新状态值。

公平锁的tryAcquire(),实现的原理图如下:

【源码篇】深入Lock锁底层原理实现,手写一个可重入锁

我们来看看
acquireQueued()方法,该方法是将线程加入等待的线程队列中,源码如下:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            // 死循环处理
            for (;;) {
                // 获取前置线程节点
                final Node p = node.predecessor();
                // 这里又尝试的去获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    // 直接return  interrupted
                    return interrupted;
                }
                // 在获取锁失败后,应该将线程Park(暂停)
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

acquireQueued()方法主要执行以下几件事:

  1. 死循环处理等待线程中的前置节点,并尝试获取锁,若是p == head && tryAcquire(arg),则跳出循环,即获取锁成功。

  2. 若是获取锁不成功shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt()就会将线程暂停。

acquire(int arg)方法中,最后若是条件成立,执行下面的源码:

selfInterrupt();

// 实际执行的代码为
Thread.currentThread().interrupt();

即尝试获取锁失败,就会将锁加入等待的线程队列中,并让线程处于中断等待。公平锁lock()方法执行的原理图如下:

【源码篇】深入Lock锁底层原理实现,手写一个可重入锁

之所以画这些原理的的原因,是为后面写一个自己的锁做铺垫,因为你要实现和前人差不多的东西,你必须了解该东西执行的步骤,最后得出的结果,执行的过程是怎么样的。

有了流程图,在后面的实现自己的东西才能一步一步的进行。这也是阅读源码的必要之一。

lock()方法,其实在lock()方法中,已经包含了两方面:

  1. 锁方法lock()

  2. 尝试获取锁方法tryAquire()

接下来,我们来看一下unlock()方法的源码。

  public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

直接调用release(1)方法,来看release方法源码如下:

    public final boolean release(int arg) {
       // 尝试释放当前节点
        if (tryRelease(arg)) {
            // 取出头节点
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 释放锁后要即使唤醒等待的线程来获取锁
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

通过调用tryRelease(arg),尝试释放当前节点,若是释放锁成功,就会获取的等待队列中的头节点,就会即使唤醒等待队列中的等待线程来获取锁。接下来看看tryRelease(arg)的源码如下:

// 尝试释放锁
 protected final boolean tryRelease(int releases) {
            // 将当前状态值-1
            int c = getState() - releases;
            // 判断当前线程是否是锁的拥有者,若不是直接抛出异常,非法操作,直接一点的解释就是,你都没有拥有锁,还来释放锁,这不是骗人的嘛
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //执行释放锁操作 1.若状态值=0   2.将当前的锁的拥有者设为null
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            // 重新更新status的状态值
            setState(c);
            return free;
        }

总结上面的几个方法,unlock释放锁方法的执行原理图如下:

【源码篇】深入Lock锁底层原理实现,手写一个可重入锁

对于非公平锁与公平锁的区别,在非公平锁尝试获取锁中不会执行
hasQueuedPredecessors()去判断是否队列中还有等待的前置节点线程。

如下面的非公平锁,尝试获取锁nonfairTryAcquire()源码如下:

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                // 直接就将status-1,并不会判断是否还有前置线程在等待
                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;
        }

以上就是公平锁和非公平锁的主要的核心方法的源码,接下来我们实现自己的一个锁,首先依据前面的分析中,要实现自己的锁,拥有的锁的核心属性如下:

  1. 状态值status,0为未占用锁,1未占用锁,并且是线程安全的。

  2. 等待线程队列,用于存放获取锁的等待线程。

  3. 当前线程的拥有者。

lock锁的核心的Api如下:

  1. lock方法

  2. trylock方法

  3. unlock方法

依据以上的核心思想来实现自己的锁,首先定义状态值status,使用的是AtomicInteger原子变量来存放状态值,实现该状态值的并发安全和可见性。定义如下:

// 线程的状态 0表示当前没有线程占用   1表示有线程占用
    AtomicInteger status =new AtomicInteger();

接下来定义等待线程队列,使用LinkedBlockingQueue队列来装线程,定义如下:

// 等待的线程
LinkedBlockingQueue<Thread> waiters = new LinkedBlockingQueue<Thread>();

最后的属性为当前锁的拥有者,直接就用Thread来封装,定义如下:

// 当前线程拥有者
Thread ownerThread =null;

接下来定义lock()方法,依据上面的源码分析,在lock方法中主要执行的几件事如下:

  1. 死循环的处理等待线程队列中的线程,知道获取锁成功,将该线程从队列中删除,跳出循环。

  2. 获取锁不成功,线程处于暂停等待。

    @Override
    public void lock() {
        // TODO Auto-generated method stub
        // 尝试获取锁
        if (!tryLock()) {
            // 获取锁失败,将锁加入等待的队列中
            waitersQueue.add(Thread.currentThread());
            // 死循环处理队列中的锁,不断的获取锁
            for (;;) {
                if (tryLock()) {
                    // 直到获取锁成功,将该线程从等待队列中删除
                    waitersQueue.poll();
                    // 直接返回
                    return;
                } else {
                    // 获取锁不成功,就直接暂停等待。
                    LockSupport.park();
                }
            }
        }
    }

然后是trylock方法,依据上面的源码分析,在trylock中主要执行的以下几件事:

  1. 判断当前拥有锁的线程的状态是否为0,为0,执行状态值+1,并将当前线程设置为锁拥有者。

  2. 实现锁可重入

    @Override
    public boolean tryLock() {
        // 判断是否有现成占用
        if (status.get()==0) {
            // 执行状态值加1
            if (status.compareAndSet(0, 1)) {
                // 将当前线程设置为锁拥有者
                ownerThread = Thread.currentThread();
                return true;
            } else if(ownerThread==Thread.currentThread())  {
                // 实现锁可重入
                status.set(status.get()+1);
            }
        }
        return false;
    }

最后就是unlock方法,依据上面的源码分析,在unlock中主要执行的事情如下:

  1. 判断当前线程是否是锁拥有者,若不是直接抛出异常。

  2. 判断状态值是否为0,并将锁拥有者清空,唤醒等待的线程。

    @Override
    public void unlock() {
        // TODO Auto-generated method stub
        // 判断当前线程是否是锁拥有者
        if (ownerThread!=Thread.currentThread()) {
            throw new RuntimeException("非法操作");
        }
        // 判断状态值是否为0
        if (status.decrementAndGet()==0) {
            // 清空锁拥有着
            ownerThread = null;
            // 从等待队列中获取前置线程
            Thread t = waitersQueue.peek();
            if (t!=null) {
               // 并立即唤醒该线程
                LockSupport.unpark(t);
            }
        }
    }

以上就是实现自己的非公平的可重入锁,lock的源码其实并不复杂,只要认真看都能看懂,在阅读源码的过程中,会遇到比较复杂的问题。遇到问题不要慌,网上查询资料,相信很多都能找到答案,因为java的生态如此完善,几乎90%的东西网上都会有,只要沉得住气,相信一定会有所收获。

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