Java高并发编程（五）：Java中的锁Lock

秒速五厘米 2022-04-02 04:55 317阅读 0赞

# 1. Lock接口 #

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式，一般来说，一个锁能够防止多个线程同时访问共享资源（但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，比如读写锁）。虽然它缺少了（通过synchronized块或者方法所提供的）隐式获取释放锁的便捷性，但是却拥有了锁获取与释放的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized关键字所不具备的同步特性。

Lock接口提供的synchronized关键字不具备的特性：

![在这里插入图片描述][20181225141202725.png]

Lock接口中定义的方法：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

Java中锁的定义可以分为以下三类：

>  *  重入锁：就是支持重进入的锁，它表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁。除此之外，该锁的还支持获取锁时的公平和非公平性选择。
>  *  排他锁：锁在同一时刻只允许一个线程进行访问
>  *  读写锁：读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读  
>     线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

# 2 队列同步器（AbstractQueuedSynchronizer） #

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下简称同步器），是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。

同步器的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态，在抽象方法的实现过程中免不了要对同步状态进行更改，这时就需要使用同步器提供的3个方法（getState()、setState(int newState)和compareAndSetState(int expect,int update)）来进行操作，因为它们能够保证状态的改变是安全的。子类推荐被定义为自定义同步组件的静态内部类，同步器自身没有实现任何同步接口，它仅仅是定义了若干同步状态获取和释放的方法来供自定义同步组件使用，同步器既可以支持独占式地获取同步状态，也可以支持共享式地获取同步状态，这样就可以方便实现不同类型的同步组件（ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock和CountDownLatch等）。

## 2.1 队列同步器的接口 ##

同步器的设计是基于模板方法模式的，也就是说，使用者需要继承同步器并重写指定的方法，随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中，并调用同步器提供的模板方法，而这些模板方法将会调用使用者重写的方法。

队列同步器提供三个方法来访问和修改同步状态：

>  *  getState(): 获取当前同步状态
>  *  setState(int newState):设置当前同步状态
>  *  compareAndSetState(int expect,int update):使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。

队列同步器提供的重写方法：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

队列同步器提供的模板方法：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

队列同步器提供的模板方法基本上可以分为三类：

> 1.  独占式获取与释放同步状态
> 2.  共享式获取与释放同步状态
> 3.  查询同步队列中的等待线程情况

下面我们来说说一下共享式获取与独占式获取：

> 它们之间的最主要的区别在于同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。以文件的读写为例，如果一个程序在对文件进行读操作，那么这一时刻对于该文件的写操作均被阻塞，而读操作能够同时进行。写操作要求对资源的独占式访问，而读操作可以是共享式访问，两种不同的访问模式在同一时刻对文件或资源的访问情况。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

左半部分，共享式访问资源时，其他共享式的访问均被允许，而独占式访问被阻塞，右半部分是独占式访问资源时，同一时刻其他访问均被阻塞。

## 2.2 队列同步器的实现分析 ##

接下来将从实现角度分析同步器是如何完成线程同步的，主要包括：同步队列、独占式同步状态获取与释放、共享式同步状态获取与释放以及超时获取同步状态等同步器的核心数据结构与模板方法。

### 2.2.1 同步队列 ###

同步器依赖内部的同步队列（一个FIFO双向队列）来完成同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败时，同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

同步队列中的节点（Node）用来保存获取同步状态失败的线程引用、等待状态以及前驱和后继节点，节点的属性类型与名称以及描述:

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

同步器拥有首节点（head）和尾节点（tail），没有成功获取同步状态的线程将会成为节点加入该队列的尾部，同步队列的基本结构:

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

同步器包含了两个节点类型的引用，一个指向头节点，而另一个指向尾节点。试想一下，当一个线程成功地获取了同步状态（或者锁），其他线程将无法获取到同步状态，转而被构造成为节点并加入到同步队列中，而这个加入队列的过程必须要保证线程安全，因此同步器提供了一个基于CAS的设置尾节点的方法：compareAndSetTail(Node expect,Node  
update)，它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点，只有设置成功后，当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。

**同步器将节点加入到同步队列的过程:**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

**同步队列遵循FIFO，首节点是获取同步状态成功的节点，首节点的线程在释放同步状态时,将会唤醒后继节点，而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

### 2.2.2 独占式同步状态获取与释放 ###

通过调用同步器的acquire(int arg)方法可以获取同步状态，该方法对中断不敏感，也就是由于线程获取同步状态失败后进入同步队列中，后续对线程进行中断操作时，线程不会从同步队列中移出。acquire(int arg)方法源码如下：

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

上述代码主要完成了同步状态获取、节点构造、加入同步队列以及在同步队列中自旋等待的相关工作，其主要逻辑是：

> 1.  调用自定义同步器实现的tryAcquire(int arg)方法，该方法保证线程安全的获取同步状态
> 2.  如果同步状态获取失败，则构造同步节点（独占式Node.EXCLUSIVE，同一时刻只能有一个线程成功获取同步状态）并通过addWaiter(Node node)方法将该节点加入到同步队列的尾部
> 3.  用acquireQueued(Node node,int arg)方法，使得该节点以“死循环”的方式获取同步状态。如果获取不到则阻塞节点中的线程，而被阻塞线程的唤醒主要依靠前驱节点的出队或阻塞线程被中断来实现。

下面我们来分别分析同步状态获取、节点构造、加入同步队列这三个步骤：

#### 同步状态获取 ####

protected boolean tryAcquire(int arg){ }

是用户重写的重写方法，该方法独占式的获取同步状态，实现该方法需要查询同步状态并判断同步状态是否符合预期，然后再根据CAS设置同步状态。

#### 节点构造 ####

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;
                if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            enq(node);
            return node;
        }
    
    private Node enq(final Node node) { 
            for (;;) { 
                Node t = tail;
                if (t == null) {  // Must initialize
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        tail = head;
                } else { 
                    node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) { 
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }

上述代码通过使用compareAndSetTail(Node expect,Node update)方法来确保节点能够被线程安全添加。在enq(final Node node)方法中，同步器通过“死循环”来保证节点的正确添加，在“死循环”中只有通过CAS将节点设置成为尾节点之后，当前线程才能从该方法返回，否则，当前线程不断地尝试设置。可以看出，enq(final Node node)方法将并发添加节点的请求通过CAS变得“串行化”了。

#### 加入同步队列 ####

节点进入同步队列之后，就进入了一个自旋的过程，每个节点（或者说每个线程）都在自省地观察，当条件满足，获取到了同步状态，就可以从这个自旋过程中退出，否则依旧留在这个自旋过程中（并会阻塞节点的线程）

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acquireQueued(final Node node,int arg)方法中，当前线程在“死循环”中尝试获取同步状态，而只有前驱节点是头节点才能够尝试获取同步状态：

> 1.  头节点是成功获取到同步状态的节点，而头节点的线程释放了同步状态之后，将会唤醒其后继节点，后继节点的线程被唤醒后需要检查自己的前驱节点是否是头节点。
> 2.  维护同步队列的FIFO原则。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

**独占式同步状态获取流程，也就是acquire(int arg)方法调用流程:**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

前驱节点为头节点且能够获取同步状态的判断条件和线程进入等待状态是获取同步状态的自旋过程。当同步状态获取成功之后，当前线程从acquire(int arg)方法返回，如果对于锁这种并发组件而言，代表着当前线程获取了锁。

#### 独占式同步状态的释放过程 ####

当前线程获取同步状态并执行了相应逻辑之后，就需要释放同步状态，使得后续节点能够继续获取同步状态。通过调用同步器的release(int arg)方法可以释放同步状态，该方法在释放了同步状态之后，会唤醒其后继节点（进而使后继节点重新尝试获取同步状态）。

public final boolean release(int arg) { 
            if (tryRelease(arg)) { 
                Node h = head;
                if (h != null && h.waitStatus != 0)
                    unparkSuccessor(h);
                return true;
            }
            return false;
        }

**独占式同步状态的获取和释放总结：**  
在获取同步状态时，同步器维护一个同步队列，获取状态失败的线程都会被加入到队列中并在队列中进行自旋；移出队列（或停止自旋）的条件是前驱节点为头节点且成功获取了同步状态。在释放同步状态时，同步器调用tryRelease(int arg)方法释放同步状态，然后唤醒头节点的后继节点。

### 2.2.3 共享式同步状态获取与释放 ###

#### 共享式同步状态获取 ####

通过调用同步器的void acquireShared(int arg)方法可以共享式地获取同步状态.

public final void acquireShared(int arg) { 
            if (tryAcquireShared(arg) < 0)
                doAcquireShared(arg);
        }
        
    private void doAcquireShared(int arg) { 
            final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
            boolean failed = true;
            try { 
                boolean interrupted = false;
                for (;;) { 
                    final Node p = node.predecessor();
                    if (p == head) { 
                        int r = tryAcquireShared(arg);
                        if (r >= 0) { 
                            setHeadAndPropagate(node, r);
                            p.next = null; // help GC
                            if (interrupted)
                                selfInterrupt();
                            failed = false;
                            return;
                        }
                    }
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally { 
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

在acquireShared(int arg)方法中，首先调用tryAcquireShared(arg)方法，只有这个方法返回结果>=0时，acquireShared请求同步状态成功，否则调用doAcquireShared(int args)方法。在doAcquireShared(int args)方法中，首先将当前线程加入到同步队列当中。然后判断当前线程的前驱节点是否是头结点并且，同步器调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态，tryAcquireShared(int arg)方法返回值为int类型，当返回值大于等于0时，表示能够获取到同步状态。因此，在共享式获取的自旋过程中，成功获取到同步状态并退出自旋的条件就是tryAcquireShared(int arg)方法返回值大于等于0。可以看到，在doAcquireShared(int arg)方法的自旋过程中，如果当前节点的前驱为头节点时，尝试获取同步状态，如果返回值大于等于0，表示该次获取同步状态成功并从自旋过程中退出。

#### 共享式同步状态释放 ####

与独占式一样，共享式获取也需要释放同步状态，通过调用releaseShared(int arg)方法可以释放同步状态

public final boolean releaseShared(int arg) { 
            if (tryReleaseShared(arg)) { 
                doReleaseShared();
                return true;
            }
            return false;
        }

该方法在释放同步状态之后，将会唤醒后续处于等待状态的节点。对于能够支持多个线程同时访问的并发组件（比如Semaphore），它和独占式主要区别在于tryReleaseShared(int arg)方法必须确保同步状态（或者资源数）线程安全释放，一般是通过循环和CAS来保证的，因为释放同步状态的操作会同时来自多个线程。

### 2.2.4 独占式超时获取同步状态 ###

独占式超时获取同步状态通过调用同步器的doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout)方法可以超时获取同步状态，即在指定的时间段内获取同步状态，如果获取到同步状态则返回true，否则，返回false。该方法提供了传统Java同步操作（比如synchronized关键字）所不具备的特性。

private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
                throws InterruptedException { 
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
            final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
            boolean failed = true;
            try { 
                for (;;) { 
                    final Node p = node.predecessor();
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return true;
                    }
                    nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
                    if (nanosTimeout <= 0L)
                        return false;
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                        LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
                    if (Thread.interrupted())
                        throw new InterruptedException();
                }
            } finally { 
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

超时获取同步状态过程可以被视作响应中断获取同步状态过程的“增强版”,doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout)方法在支持响应中断的基础上，增加了超时获取的特性。针对超时获取，主要需要计算出需要睡眠的时间间隔nanosTimeout，为了防止过早通知，  
nanosTimeout计算公式为：nanosTimeout-=now-lastTime，其中now为当前唤醒时间，lastTime为上次唤醒时间，如果nanosTimeout大于0则表示超时时间未到，需要继续睡眠nanosTimeout纳秒，反之，表示已经超时.

该方法在自旋过程中，当节点的前驱节点为头节点时尝试获取同步状态，如果获取成功则从该方法返回，这个过程和独占式同步获取的过程类似，但是在同步状态获取失败的处理上有所不同。如果当前线程获取同步状态失败，则判断是否超时（nanosTimeout小于等于0表示已经超时），如果没有超时，重新计算超时间隔nanosTimeout，然后使当前线程等待nanosTimeout纳秒（当已到设置的超时时间，该线程会从LockSupport.parkNanos(Objectblocker,long nanos)方法返回）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

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