从ReentrantLock的角度来看AQS原理

女爷i 2022-11-11 13:18 224阅读 0赞

### ReentrantLock ###

`ReentrantLock`作为java api层面的加锁方式，其性能比synchronized更好(synchronized进行优化后性能差不太多)，灵活性更强

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>ReentrantLock</th> 
   <th>synchronized</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>可重入</td> 
   <td>可重入</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>可尝试加锁</td> 
   <td>不能尝试加锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>加锁时支持打断</td> 
   <td>加锁时不支持打断</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>加锁时可设置超时时间</td> 
   <td>不能设置超时时间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>关联多个条件队列</td> 
   <td>关联一个条件队列</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>需要手动释放锁</td> 
   <td>自动释放锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>公平&amp;非公平</td> 
   <td>非公平</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

// 获取锁
            reentrantLock.lock();
            // 获取锁时可相应中断
            reentrantLock.lockInterruptibly();
            // 尝试获取锁 获取成功返回 true
            boolean b = reentrantLock.tryLock();
            // 尝试获取锁，如果超过指定时间则超时， 获取成功返回 true
            boolean b1 = reentrantLock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);

ReentrantLock 中有一个 `Sync` 抽象类继承自 `AbstractQueuedSynchronizer`  
Sync 又有两个子类，分别是 `FairSync` 和 `NonfairSync` 公平锁的实现和非公平锁的实现

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3l1Z2UxMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
我们再看看 AQS

AQS就是java中的一个类 全名叫做 `AbstractQueuedSynchronizer` 内部维护了一个双向列表，列表中除头节点以外其他节点都是一个阻塞的线程，每个节点都是用它的一个内部类 `Node` 进行封装

Node中有下列这些字段

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>名称</th> 
   <th>类型</th> 
   <th>默认值</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>SHARED</td> 
   <td>Node</td> 
   <td>new Node()</td> 
   <td>表示共享模式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EXCLUSIVE</td> 
   <td>Node</td> 
   <td>null</td> 
   <td>表示独占模式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CANCELLED</td> 
   <td>int</td> 
   <td>1</td> 
   <td>waitStatus的状态，该状态表示此线程放弃竞争锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SIGNAL</td> 
   <td>int</td> 
   <td>-1</td> 
   <td>waitStatus的状态,表示节点在等待队列中，节点线程等待唤醒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONDITION</td> 
   <td>int</td> 
   <td>-2</td> 
   <td>waitStatus的状态.， 该状态表示此节点在等待队列中，等待被唤醒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PROPAGATE</td> 
   <td>int</td> 
   <td>-3</td> 
   <td>只有共享模式下才会使用，这里先不解释</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>waitStatus</td> 
   <td>int</td> 
   <td>0</td> 
   <td>去上面那几种状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>prev</td> 
   <td>Node</td> 
   <td>null</td> 
   <td>该节点的前驱节点</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>next</td> 
   <td>Node</td> 
   <td>null</td> 
   <td>该节点的后继节点</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>thread</td> 
   <td>Thread</td> 
   <td>null</td> 
   <td>该节点表示的线程</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

AQS中维护了一个 state 状态，该状态可表示是不是有线程获取了锁，具体的含义由子类进行实现  
它还维护了分别指向头部和尾部的节点

AQS中的头节点是个哨兵节点，不代表任何线程

`ReentrantLock` 本身只实现了 `Lock` 接口  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3l1Z2UxMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

`ReentrantLock` 有两个构造方法，通过默认的构造方法创建的ReentrantLock对象默认使用的是非公平锁

public ReentrantLock() { 
            sync = new NonfairSync();
        }
        public ReentrantLock(boolean fair) { 
            sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        }

ReentrantLock实现了 Lock 接口，所以要重写 lock() 方法

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

它内部调用了 sync.lock() 如果我们使用默认的构造方法创建的 `ReentrantLock` 那么sync就是 `NonfairSync`

这里我们以非公平锁 `NonfairSync` 来讲解

假如我们有下列代码，有一个线程 t1 和 t2 ，我们先让 t1 进行启动并获取锁

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    
            // 获取锁
            reentrantLock.lock();
            
            new Thread(() -> { 
                reentrantLock.lock();
                try { 
                    while (true) { }
                }finally { 
                    reentrantLock.unlock();
                }
            }, "t1").start();
        
            Thread.sleep(1000);
            new Thread(() -> { 
    
                reentrantLock.lock();
                try { 
                    while (true) { }
                }finally { 
                    reentrantLock.unlock();
                }
            }, "t2").start();
    
        }

# 加锁流程 #

此时 t1 先执行 lock 方法

final void lock() { 
     			// 使用CAS的方式尝试将state更改为1
     			// 如果更改成功则代表锁获取成功
     			// t1 进来的时候 t2 并没有启动，那么t1肯定能获取到锁
                if (compareAndSetState(0, 1))
                	// 获取锁成功，将锁的持有者设置为当前线程
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                else
                	// 获取锁失败走这个流程
                    acquire(1);
            }

t2 启动，并进入 lock() 方法

final void lock() { 
     			// 由于 t1 已经获取到锁了，也就是将 state 修改成 1 了
     			// 那么此时t2通过 CAS的方式再次尝试获取锁将 失败
                if (compareAndSetState(0, 1))
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                else
                	// 获取锁失败走这个流程
                    acquire(1);
            }

t2 进入该acquire(1) 方法  
这个方法位于 AQS中，并且是final修饰的，不让子类进行重写  
事实上基于AQS实现的独占锁在获取锁时一般都会调用这个方法

// 这个方法在 Sync中实现
    	final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { 
                final Thread current = Thread.currentThread();
                // 这时候 t1 是持有锁的，这个state已经被t1修改成 1 了
                // 不过如果此时 t1 恰巧释放了锁那么 t2 state就等于0了，现在不考虑这种情况
                int c = getState();
                // t2 执行到这里的时候很明显该条件不成立
                
                if (c == 0) { 
                    if (compareAndSetState(0, acquires)) { 
                        setExclusiveOwnerThread(current);
                        return true;
                    }
                }
                // 判断当前持有锁的线程是不是就是自己，很明显也不是
                else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { 
                    int nextc = c + acquires;
                    if (nextc < 0) // overflow
                        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                    setState(nextc);
                    return true;
                }
                // 获取锁失败
                return false;
        }	
    
    	// 非公平锁中的实现
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }	
    	
    	// arg 这个 参数是在实现可重入锁时使用的，暂时忽略
       public final void acquire(int arg) { 
       		// 首先会执行 tryAcquire(1) 该方法是要子类重写的，默认抛出异常
       		// 其实tryAcquire(1) 就是尝试获取所，如果获取成功了则返回true
       		// 否则会执行 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
            if (!tryAcquire(arg) &&
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                selfInterrupt();
        }

由于 t1 此时持有锁，t2再去获取时就是获取锁失败

那么会执行这句代码 `acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)`

先来看看 `addWaiter` 干了什么事

// 刚刚调用那里传过来的mode为 : Node.EXCLUSIVE
    	// 表示独占锁模式
       private Node addWaiter(Node mode) { 
       		// 将当前线程封装成一个 mode
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
            
            Node pred = tail;
            // 由于t2是第一个获取锁失败的线程，此时队列是空的
            // 该条件不成立
            if (pred != null) { 
                node.prev = pred;
                if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            enq(node);
            // 将t2 封装的 Node返回了出去
            return node;
        }
        
        private Node enq(final Node node) { 
        	// 注意这里是个死循环
            for (;;) { 
                Node t = tail;
                // 如果此时队列是空的那么将初始化这个队列
                // 经过第一次循环后队列不为空了
                if (t == null) { 
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                    	// 并把头部的节点也指向了尾部
                    	// 然后要进行下一次循环了
                        tail = head;
                } else { 
                	// 第二次循环会进入到这里
                	// 把 当前的尾部节点 t 作为 我们传过来的那个节点的前驱节点
                	// 我们传过来的节点就是线程 t2 封装的那个
                    node.prev = t;
                    // 然后将 t2 封装的那个节点设置成尾节点
                    if (compareAndSetTail(t, node)) { 
                    	// 将之前尾节点的下一个节点执行 t2
                        t.next = node;
                        // 返回的是我们当前要插入的节点也就是t2的前驱节点
                        // 也就是上一个尾节点
                        return t;
                    }
                }
            }
        }

执行完 `addWaiter` 之后列表是这样的  
现在所有的waitStatus都等于0  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3l1Z2UxMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

接下来看看 `acquireQueued`方法的执行

// node 参数是 addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 返回的
    // 返回的其实就是线程t2封装的那个node
    // arg 还是 1
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 
            boolean failed = true;
            try { 
            	// 这里是标记线程在获取锁阻塞期间是否被打断过
                boolean interrupted = false;
                // 这里死循环
                for (;;) { 
                	// node 就是 t2，现在位于队列中的第二个，他的前驱节点是头节点
                    final Node p = node.predecessor();
                    // 判断t2的前驱节点是不是头节点 也就是判断当前这个node是不是在队列中位于第二个节点的位置
                    // tryAcquire(arg) 就是尝试去获取一下锁，如果获取成功了就返回true
                    // 但是现在 t1 还未释放锁 所以仍然是获取锁失败的
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
                        setHead(node);
                        p.next = null; 
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    // shouldParkAfterFailedAcquire() 表示获取锁失败了是否需要阻塞住，如果要阻塞住返回true
                    // parkAndCheckInterrupt() 就是阻塞住当前线程
                    // 当第一次执行到这里会返回false
                    // 第二次执行时会返回true 然后就会阻塞住
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally { 
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }
    
    
    // pred 就是 node 的前驱节点，也就是头节点
    // node 就是 t2 封装的节点
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { 
    		// 拿到头节点的watiStatus
            int ws = pred.waitStatus;
            // 如果等于 -1 就代表 需要阻塞住
            if (ws == Node.SIGNAL)
                return true;
            // 大于 0 则代表放弃竞争锁
            if (ws > 0) { 
                do { 
                	// 循环向前查找取消节点，把取消节点从队列中剔除
                    node.prev = pred = pred.prev;
                } while (pred.waitStatus > 0);
                pred.next = node;
            } else { 
            	// 将头节点的 waitStatus设置为 -1
                compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
            }
            // 返回false 不阻塞
            return false;
        }
    
     // 会将当前线程阻塞住，如果是被打断的就会清除打断标记
     // 因为 LockSupport.prk() 不会清除打断标记，需要手动调用 Thread.interrupted() 
     // 如果不清除打断标记的话，下一次LockSupport.park() 会阻塞不了
      private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 
            LockSupport.park(this);
            return Thread.interrupted();
        }

执行完上列方法会 线程的waitStatus会发生改变，但是队尾的waitStatus没有

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3l1Z2UxMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# 解锁流程 #

假如此时 t1 要释放锁了

public void unlock() { 
    	        sync.release(1);
    	    }
    
    
        public final boolean release(int arg) { 
        	// 尝试释放锁
            if (tryRelease(arg)) { 
                Node h = head;
                // 释放锁成功后需要有没有后继节点
                // 如果有则需要唤醒后继节点
                if (h != null && h.waitStatus != 0)
                    unparkSuccessor(h);
                return true;
            }
            return false;
        }
    
    
    	protected final boolean tryRelease(int releases) { 
    			// 因为线程一 只加了一次锁即没有重入
    			// 所以state等于1 releases 这时也是1 1-1=0
                int c = getState() - releases;
                // 判断当前当前线程是否是锁的持有者
                // 如果你都不持有锁肯定不会让你释放
                if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                boolean free = false;
                // 等于0就代表释放成功了
                if (c == 0) { 
                    free = true;
                    setExclusiveOwnerThread(null);
                }
                // 因为只能有一个线程持有锁，所以释放锁的时候只会有一个线程执行到这里所以不需要通过CAS的方法修改state
                setState(c);
                return free;
            }
    
    	private void unparkSuccessor(Node node) { 
        
            int ws = node.waitStatus;
            if (ws < 0)
                compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    
            Node s = node.next;
            if (s == null || s.waitStatus > 0) { 
                s = null;
                // 如果没有 下一个节点或者下一个节点已经被取消了
                // 那么判断是否有尾节点并且尾节点不是当前节点
                // 如果成立则从尾部向前找直到找到waitStatus小于等于0的节点为止
                for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                    if (t.waitStatus <= 0)
                        s = t;
            }
            if (s != null)
            	// 唤醒后继节点 这里将t2唤醒了
                LockSupport.unpark(s.thread);
        }

再来看看将t2唤醒之后 t2获取锁的流程

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 
            boolean failed = true;
            try { 
                boolean interrupted = false;
                for (;;) { 
                    final Node p = node.predecessor();
                    // 这时候 t1已经释放锁了
                    // 并且t2 的前驱节点就是头节点
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
                    	// 获取锁成功之后会将当前t2的这个节点设置为头节点
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    // parkAndCheckInterrupt() t2 阻塞在这个方法里
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally { 
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

其实整个AQS的加锁流程还是相对简单的，只要搞懂了其中涉及到的一些概念

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