Java可重入锁reentrantLock解析

 更新时间:2023年12月28日 08:59:49   作者:竹下星空  
这篇文章主要介绍了Java可重入锁reentrantLock解析,reentrantLock跟synchronized代码结构差不多,只是多了一个lock和unlock的过程,需要的朋友可以参考下

Java可重入锁reentrantLock

面试思考:

重入的概念是什么,实现原理是什么?

公平锁和非公平锁区别是什么,体现在哪些地方?

没有竞争到锁的线程怎么实现等待,释放锁时又是怎么被唤醒的?

我们先用reentrantLock改造一下synchronized那个程序来达到相同效果体验一下lock:

package com.example.demo.service;
import lombok.SneakyThrows;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReenterLockDemo {
	static int flag = 0;
	public static void main(String[] args) {
		ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
		Condition condition = lock.newCondition();
		new Thread("线程1") {
			@SneakyThrows
			public void run() {
				while(flag<10) {
					lock.lock();
					try {
						System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打印:"+(++flag));
						condition.signal();
						condition.await();
					}finally {
						lock.unlock();
					}
				}
			};
		}.start();
		new Thread("线程2") {
			@SneakyThrows
			public void run() {
				while(flag<10) {
					lock.lock();
					try {
						System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打印:"+(++flag));
						condition.signal();
						condition.await();
					}finally {
						lock.unlock();
					}
				}
			};
		}.start();
	}
}
 

发现没有是不是跟synchronized代码结构差不多,只是多了一个lock和unlock的过程。我们先画个图来对比一下synchronized和lock的数据结构:

这就是学技术特别有趣的地方,你看多了感觉很多高大上的技术底层设计实际都差不多。下面我们具体看下reentrantLock加锁过程:

publicReentrantLock(){
    sync =newNonfairSync();
}

ReentrantLock默认是非公平锁。

lock方法

final voidlock(){
//先通过cas把state从0设置成1
if(compareAndSetState(0,1))
//如果设置成功说明当前线程获取了锁,把锁拥有者设置成当前线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
设置失败则走这个方法
acquire(1);
}
 

acquire(1);方法

public final voidacquire(int arg){
//这里if使用&&执行了两个方法,当两个条件都true时会执行selfInterrupt();,也就是中断当前线程,这里可以猜测一下:这两个方法应该就是获取锁或者进入等待队列,当都失败时说明加锁过程就失败了,直接中断线程结束流程。
if(!tryAcquire(arg)&&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
 

nonfairTryAcquire(arg)方法

final booleannonfairTryAcquire(int acquires){
//获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
//获取state的值,state是被volatile修饰,对所有线程都可见
int c =getState();
//当state值为0时,说明此时持有锁的线程已经释放锁,此时就可以通过cas重新竞争锁
if(c ==0){
if(compareAndSetState(0, acquires)){
setExclusiveOwnerThread(current);
returntrue;
}
}
//当state值不为0时,判断当前线程是否是锁持有线程,是则把state设置成原值+acquires,获取锁成功
elseif(current ==getExclusiveOwnerThread()){
int nextc = c + acquires;
if(nextc <0)// overflow
thrownewError("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
returntrue;
}
//否则获取锁失败
returnfalse;
}

nonfairTryAcquire方法主要是想看看已经获得锁的线程是不是当前线程,是的话可以再次获取到锁,体现了可重入的特性。不是的话就需要执行acquireQueued方法

addWaiter(Node mode)方法

private Node addWaiter(Node mode) {
//把当前线程封装成node,nextWaiter=EXCLUSIVE= null
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
//判断当前AQS的tail是否是null,刚开始肯定是null,但当已经有一个node在AQS中时就不为null,不为null时把node设置为tail,pred的next指针指向node,node的prev指针指向pred
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//tail为null时执行
enq(node);
return node;
}
 

enq(node);方法

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
//当tail为null时使head=tail=new Node()
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
            tail = head;
        } else {
//不为null时把node设置为tail,pred的next指针指向node,node的prev指针指向pred,并跳出死循环
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
                }
            }
    }
}

addWaiter方法实际就是初始化了AQS中的双向链表,head和tail开始指向的是一个没有线程的空node,之后把封装了线程的EXCLUSIVE node放入双向链表中,tail指向EXCLUSIVE node,head指向没有线程的空node,类似于下图:

当封装好node并进入AQS的双向链表之后进入acquireQueued方法:

acquireQueued方法

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
获取当前线程的前一个节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前一个是head则会再执行nonfairTryAcquire方法进行获取锁,如果获取成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
把当前线程的node设置成head,thead=null,prev=null
setHead(node);
把之前的head从双向链表中断开引用,让gc回收
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//如果前一个节点不是head或者获取锁失败则执行if中的方法
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
 

shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 方法

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取当前线程前一个node的waitStatus值,waitStatus是volatile修饰的int,所以初始化值是0
int ws = pred.waitStatus;
//当waitStatus是-1时,说明当前node已经给pred node设置过waitStatus了,直接返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
//当waitStatus大于0时,实际上就是1,1代表CANCELLED,就是已经终止了的node,所以用while直接跳过所有终止的node,并返回false
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//如果即不等于-1也不是1,就把pred设置成-1,-1实际上就是代表当前node需要park,然后返回false
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
 

shouldParkAfterFailedAcquire方法总结一下就是把当前node的上一个node的waitStatus设置成-1,但waitStatus前值不能是大于0的,因为大于0代表node已经终止了。

在设置成功后并不会执行parkAndCheckInterrupt方法,而是再次进入了一次循环尝试获取锁,再没有成功的话就执行parkAndCheckInterrupt进行park,然后for循环就卡住,整个流程如下:

可以看出java的lock实际就是借助LockSupport.park(this);方法来实现,没有获取到锁的线程在for循环中park住,等待持有锁的线程来unpark唤醒他们。那么接下来看看unlock方法是怎么唤醒park线程的。

release方法

public final boolean release(int arg) {
//先执行tryRelease方法,tryRelease方法返回true继续执行if逻辑
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
//head不为null并且waitStatus不为0时会执行unparkSuccessor方法,我们知道waitStatus初始值是0,并且在shouldParkAfterFailedAcquire方法时把waitStatus设置为-1
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
 

tryRelease(arg)方法

protected final boolean tryRelease(int releases) {
//当前state减去releases值获取c
    int c = getState() - releases;
//当前线程不是拥有锁的线程则报错
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
//如果为0则说明没有线程持有锁,则把拥有锁的线程设置成null
    if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
    }
//把status设置成c
    setState(c);
//返回是否没有持有锁的线程
    return free;
}
 

tryRelease方法就是在处理state变量的值,我们每次加锁时都会增加state的值,所以在释放锁时就减小state的值,直到回到原始值0,说明已经没有线程持有锁了。当没有线程持有锁时就会尝试唤醒等待线程

unparkSuccessor(h);方法

private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
//先拿到waitStatus,如果小于0,则把他设置成初始值0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
//获取node的下一个node,如果s是null或则waitStatus大于0.则用for循环从tail往前找waitStatus小于等于0的node,直到找到最前面一个waitStatus小于等于0的node
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;
}
//如果找到了则唤醒node中的线程,此时就会进入acquireQueued方法中的for循环再次尝试获取锁
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
 

现在这个非公平锁上锁和释放锁的过程都比较清晰了,我们来总结一下:lock时会先尝试把state从0设置成1,成功则获取锁成功,失败则会判断持有锁的线程是不是当前线程,是则获取锁成功,不是则会被封装成EXCLUSIVE的node节点放入AQS的双向链表等待队列中,然后再一次判断自己是不是第一个等待线程,是的话会再次尝试获取锁,如果还是失败则park,等待持有锁的线程释放锁之后unpark唤醒。

为什么head节点是一个空节点呢

  • 如果head不是空节点,在非公平锁时p == head && tryAcquire(arg)这个判断就有问题,因为即使当前节点的前一个节点是head,那也不能去获取锁,因为此时head是有线程的,head线程可能都没执行完或自己都是park状态,这时候获取锁一点意义没有。
  • 如果head不是空节点,那么在unlock时就不能用head去唤醒下一个node,此时要有更复杂的逻辑去维护各个node 状态,而且在线程被唤醒后还要维护waitStatus值,这就加大了代码复杂性

非公平锁相对于公平锁来说非公平体现在哪里

  • 在lock时非公平锁会直接尝试cas改变state来获取锁,而不是执行tryAcquire方法
  • 在执行tryAcquire方法时非公平锁在state是0时会直接尝试cas改变state来获取锁,不用判断AQS中有没有线程在等待
  • 在执行acquireQueued方法执行tryAcquire方法也会进行一次2中的过程

到此这篇关于Java可重入锁reentrantLock解析的文章就介绍到这了,更多相关可重入锁reentrantLock内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

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