JAVA锁 —— ReentrantLock公平锁和非公平锁原理详解

一、简介ReentrantLock的实现是基于其内部类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)实现的。 其可重入性是基于Thread.currentThread()实现的如果当前线程已经获得了执行序列中的锁 那执行序列之后的所有方法都可以获得这个锁。1、公平锁公平和非公平锁的队列都基于锁内部维护的一个双向链表表结点Node的值就是每一个请求当前锁的线程。公平锁则在于每次都是依次从队首取值。锁的实现方式是基于如下几点1、表结点Node和状态state的volatile关键字。2、sum.misc.Unsafe.compareAndSet的原子操作(见附录)2、非公平锁在等待锁的过程中 如果有任意新的线程妄图获取锁都是有很大的几率直接获取到锁的。ReentrantLock锁都不会使得线程中断除非开发者自己设置了中断位。ReentrantLock获取锁里面有看似自旋的代码但是它不是自旋锁。ReentrantLock公平与非公平锁都是属于排它锁。二、ReentrantLock的可重入性分析ReentrantLock重入性是基于Thread.currentThread()实现的: 如果当前线程已经获得了锁 那该线程下的所有方法都可以获得这个锁。ReentrantLock的锁依赖只有 NonfairSync和FairSync两个实现类 他们的锁获取方式大同小异。//可重入性的实现基于下面代码片段的 else if 语句 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current Thread.currentThread(); int c getState(); if (c 0) { ... // 尝试获取锁成功 } else if (current getExclusiveOwnerThread()) { // 是当前线程直接获取到锁。实现可重入性。 int nextc c acquires; if (nextc 0) throw new Error(Maximum lock count exceeded); setState(nextc); return true; } return false; }此处有两个值需要关心//持有该锁的当前线程 private transient Thread exclusiveOwnerThread; -----------------两个值不在同一个类---------------- /** * 同步状态 * 0 初始状态-无任何线程得到了锁 * 0: 被线程持有 具体值表示被当前线程持有的执行次数 * 这个字段在解锁的时候也需要用到。 * 注意这个字段的修饰词: volatile */ private volatile int state;三、ReentrantLock锁的实现分析1、公平锁和非公平锁ReentrantLock 的公平锁和非公平锁都委托了AbstractQueuedSynchronizer#acquire去请求获取。public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }tryAcquire是一个抽象方法是公平与非公平的实现原理所在。addWaiter 是将当前线程结点加入等待队列之中。公平锁在锁释放后会严格按照等到队列去取后续值而非公平锁在对于新晋线程有很大优势。acquireQueued在多次循环中尝试获取到锁或者将当前线程阻塞。selfInterrupt如果线程在阻塞期间发生了中断调用Thread.currentThread().interrupt()中断当前线程。ReentrantLock 对线程的阻塞是基于LockSupport.park(this); (AbstractQueuedSynchronizer#parkAndCheckInterrupt先决条件是当前节点有限次尝试获取锁失败。公平锁和非公平锁在锁的获取上都使用到了volatile 关键字修饰的state字段 这是保证多线程环境下锁的获取与否的核心。但是当并发情况下多个线程都读取到 state 0时则必须用到CAS技术一门CPU的原子锁技术可通过CPU对共享变量加锁的形式实现数据变更的原子操作。volatile 和 CAS的结合是并发抢占的关键。2、公平锁FairSync公平锁的实现机理在于每次有线程来抢占锁的时候都会检查一遍有没有等待队列如果有 当前线程会执行如下步骤if (!hasQueuedPredecessors() compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; }其中hasQueuedPredecessors是用于检查是否有等待队列的。public final boolean hasQueuedPredecessors() { 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()); }3、非公平锁NonfairSync非公平锁在实现的时候多次强调随机抢占if (c 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } }与公平锁的区别在于新晋获取锁的进程会有多次机会去抢占锁。如果被加入了等待队列后则跟公平锁没有区别。4、ReentrantLock锁的释放ReentrantLock锁的释放是逐级释放的也就是说在可重入性场景中必须要等到场景内所有的加锁的方法都释放了锁 当前线程持有的锁才会被释放。释放的方式很简单 state字段减一即可protected final boolean tryRelease(int releases) { // releases 1 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; }5、ReentrantLock等待队列中元素的唤醒当前拥有锁的线程释放锁之后 且非公平锁无线程抢占就开始线程唤醒的流程。通过tryRelease释放锁成功调用LockSupport.unpark(s.thread); 终止线程阻塞。private void unparkSuccessor(Node node) { // 强行回写将被唤醒线程的状态 int ws node.waitStatus; if (ws 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s node.next; // s为h的下一个Node, 一般情况下都是非Null的 if (s null || s.waitStatus 0) { s null; // 否则按照FIFO原则寻找最先入队列的并且没有被Cancel的Node for (Node t tail; t ! null t ! node; t t.prev) if (t.waitStatus 0) s t; } // 再唤醒它 if (s ! null) LockSupport.unpark(s.thread); }6、ReentrantLock内存可见性分析try { lock.lock(); i ; } finally { lock.unlock(); }可以发现哪怕在不使用 volatile关键字修饰元素i的时候 这里的i 也是没有并发问题的。volatile 是Java语言的关键字 功能是保证被修饰的元素(共享变量)任何进程在读取的时候都会清空本进程里面持有的共享变量的值强制从主存里面获取任何进程在写入完毕的时候都会强制将共享变量的值写会主存。volatile 会干预指令重排。volatile 实现了JMM规范的 happen-before 原则。并发编程之ReentrantLock公平锁和非公平锁原理详解