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帶你深入了解Java多線程中的可重入鎖ReentrantLock

來(lái)源: 擼串研究生 2021-08-20 10:50:48 瀏覽數(shù) (2194)
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保證線程安全的方式有很多,比如CAS操作、synchronized、原子類、volatile保證可見(jiàn)性和ReentrantLock等,這篇文章我們主要探討ReentrantLock的相關(guān)內(nèi)容。本文基于JDK1.8講述ReentrantLock.

一、可重入鎖

所謂可重入鎖,即一個(gè)線程已經(jīng)獲得了某個(gè)鎖,當(dāng)這個(gè)線程要再次獲取這個(gè)鎖時(shí),依然可以獲取成功,不會(huì)發(fā)生死鎖的情況。synchronized就是一個(gè)可重入鎖,除此之外,JDK提供的ReentrantLock也是一種可重入鎖。

二、ReentrantLock

2.1 ReentrantLock的簡(jiǎn)單使用

public class TestReentrantLock {
	private static int i = 0;

	public static void main(String[] args) {
		ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
		try {
		    lock.lock();
            i++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        System.out.println(i);
	}
}

上面是ReentrantLock的一個(gè)簡(jiǎn)單使用案列,進(jìn)入同步代碼塊之前,需要調(diào)用lock()方法進(jìn)行加鎖,執(zhí)行完同步代碼塊之后,為了防止異常發(fā)生時(shí)造成死鎖,需要在finally塊中調(diào)用unlock()方法進(jìn)行解鎖。

2.2 ReentrantLock UML圖

在這里插入圖片描述

2.3 lock()方法調(diào)用鏈

在這里插入圖片描述

上圖描述了ReentrantLock.lock()加鎖的方法調(diào)用過(guò)程。在ReentrantLock中有一個(gè)成員變量private final Sync sync,Sync是AQS的一個(gè)子類。ReentrantLock的lock()方法中,調(diào)用了sync的lock()方法,這個(gè)方法為抽象方法,具體調(diào)用的是NonfairSync中實(shí)現(xiàn)的lock()方法:

/**
 * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
 * acquire on failure.
 */
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

在這個(gè)方法中,先嘗試通過(guò)CAS操作進(jìn)行加鎖。如果加鎖失敗,會(huì)調(diào)用AQS的acquire()方法:

/**
 * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
 * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
 * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
 * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
 * #tryAcquire} until success.  This method can be used
 * to implement method {@link Lock#lock}.
 *
 * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
 *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
 *        can represent anything you like.
 */
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

在AQS的acquire方法中,先嘗試調(diào)用tryAcquire方法進(jìn)行加鎖,如果失敗,會(huì)調(diào)用acquireQueued進(jìn)入等待隊(duì)列當(dāng)中。acquireQueued方法將會(huì)在第三章中講解,先來(lái)看tryAcquire方法的內(nèi)容。AQS的tryAcquire方法是一個(gè)模板方法,其具體實(shí)現(xiàn)在NonfairSync的tryAcquire方法中,里面僅僅是調(diào)用了nonfairTryAcquire方法:

/**
 * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
 * subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
 */
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        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;
}

在這個(gè)方法中,先獲取state判斷其是否為0。如果為0表示沒(méi)有其他線程占用鎖,會(huì)嘗試通過(guò)CAS操作將state設(shè)為1進(jìn)行加鎖;如果state不為0,表示某個(gè)線程已經(jīng)占用了鎖,判斷占用鎖的線程是否為當(dāng)前線程,如果是,則將state進(jìn)行加1的操作,這就是ReentrantLock可重入的實(shí)現(xiàn)原理

三、AQS

AQS即AbstractQueuedSynchronizer。AQS提供了一個(gè)基于FIFO隊(duì)列,可以用于構(gòu)建鎖或者其他相關(guān)同步裝置的基礎(chǔ)框架。AQS其實(shí)是CLH(Craig,Landin,Hagersten)鎖的一個(gè)變種,下面來(lái)講解AQS的核心思想及其具體實(shí)現(xiàn)。

3.1 state

/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

state是AQS中最核心的成員變量。這是一個(gè)volatile變量,當(dāng)其為0時(shí),表示沒(méi)有任何線程占用鎖。線程通過(guò)CAS將state從0置為1進(jìn)行加鎖,當(dāng)線程持有鎖的情況下,再次進(jìn)行加鎖,會(huì)將state加1,即重入。

3.2 exclusiveOwnerThread

/**
     * The current owner of exclusive mode synchronization.
     */
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;

exclusiveOwnerThread是AQS的父類AbstractOwnableSynchronizer中的成員變量,其作用是實(shí)現(xiàn)可重入機(jī)制時(shí),用于判斷持有鎖的線程是否為當(dāng)前線程。

3.3 AQS等待隊(duì)列

除了以上state和exclusiveOwnerThread兩個(gè)重要的成員變量以外,AQS還維護(hù)了一個(gè)等待隊(duì)列。當(dāng)線程嘗試加鎖失敗時(shí),會(huì)進(jìn)入這個(gè)等待隊(duì)列中,這也是整個(gè)AQS中最核心的內(nèi)容。這個(gè)等待隊(duì)列是一個(gè)雙向鏈表,其節(jié)點(diǎn)Node對(duì)等待加鎖的線程進(jìn)行封裝。

在這里插入圖片描述

/**
 * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
 *
 * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
 * @return the new node
 */
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 通過(guò)CAS操作將自身追加到鏈表尾部
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

當(dāng)線程嘗試加鎖失敗時(shí),通過(guò)CAS操作將自身追加到鏈表尾部。入隊(duì)之后,會(huì)調(diào)用acquireQueued在隊(duì)列中嘗試加鎖:

/**
     * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
     * queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
     *
     * @param node the node
     * @param arg the acquire argument
     * @return {@code true} if interrupted while waiting
     */
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

在這個(gè)方法中,會(huì)判斷其前置節(jié)點(diǎn)是否為頭節(jié)點(diǎn),如果是,則嘗試進(jìn)行加鎖。如果加鎖失敗,則調(diào)用LockSupport.park方法進(jìn)入阻塞狀態(tài),等待其前置節(jié)點(diǎn)釋放鎖之后將其喚醒。

3.4 AQS中的模板方法設(shè)計(jì)模式

AQS完美地運(yùn)用了模板方法設(shè)計(jì)模式,其中定義了一系列的模板方法。比如以下方法:

// 互斥模式下使用:嘗試獲取鎖
protected boolean tryAcquire(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
// 互斥模式下使用:嘗試釋放鎖
protected boolean tryRelease(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
// 共享模式下使用:嘗試獲取鎖
protected int tryAcquireShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
// 共享模式下使用:嘗試釋放鎖
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

這些方法在AQS中只拋出了UnsupportedOperationException異常,所以需要子類去實(shí)現(xiàn)它們。之所以沒(méi)有將這些方法設(shè)計(jì)成為抽象方法,是因?yàn)锳QS的子類可能只需要實(shí)現(xiàn)其中的某些方法即可實(shí)現(xiàn)其功能。

總結(jié)

不同版本的JDK,AQS的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有細(xì)微的差異,但其核心思想是不會(huì)變的,即線程加鎖失敗后,通過(guò)CAS進(jìn)行入隊(duì)的操作,并通過(guò)CAS的方法設(shè)置state來(lái)獲得鎖。

到這里,本篇關(guān)于Java多線程中的可重入鎖ReentrantLock詳細(xì)講解的文章就到此結(jié)束了,如果您還想要了解更多關(guān)于Java多線程相關(guān)知識(shí),推薦您可以看一看我們的Java多線程視頻,適合想要了解Java多線程的小伙伴們。


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