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說(shuō)起 Java 的并發(fā)就不得不提到 ReentrantLock，說(shuō)起 ReentrantLock 就不得不說(shuō)到 AQS。下面，我將為大家簡(jiǎn)單地聊聊 Java 并發(fā)中的 ReentrantLock和AQS，剖析一下此二者的源碼。
一.前言
首先在聊ReentrantLock之前，我們需要知道整個(gè)JUC的并發(fā)同步的基石，currrent里面所有的共享變量都是由volatile修飾的，我們知道volatile的語(yǔ)義有2大特點(diǎn)，可見(jiàn)性以及防止重排序（內(nèi)存屏障，volatie寫(xiě)與volatile讀）
1、當(dāng)?shù)诙€(gè)操作為volatile寫(xiě)操做時(shí),不管第一個(gè)操作是什么(普通讀寫(xiě)或者volatile讀寫(xiě)),都不能進(jìn)行重排序。這個(gè)規(guī)則確保volatile寫(xiě)之前的所有操作都不會(huì)被重排序到volatile之后;
2、當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作為volatile讀操作時(shí),不管第二個(gè)操作是什么,都不能進(jìn)行重排序。這個(gè)規(guī)則確保volatile讀之后的所有操作都不會(huì)被重排序到volatile之前;
3、當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile寫(xiě)操作時(shí),第二個(gè)操作是volatile讀操作,不能進(jìn)行重排序。
而cas操作同時(shí)包含了volatile寫(xiě)/讀語(yǔ)義，這二者的完美結(jié)合就組成了current的基石
二.ReentrantLock的基礎(chǔ)用法
1.
public class ReentrantLockText {
public static void main(String[] args) {
Lock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(()->{
try {
lock.lock();
System.out.println("t1 start");
TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
System.out.println("t1 end");
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("interrupted!");
} finally {
lock.unlock();
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(()->{
try {
//lock.lock();
lock.lockInterruptibly(); //可以對(duì)interrupt()方法做出響應(yīng)
System.out.println("t2 start");
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
System.out.println("t2 end");
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("interrupted!");
} finally {
lock.unlock();
}
});
t2.start();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
t2.interrupt(); //打斷線程2的等待
}
}運(yùn)行結(jié)果
reentrantlock用于替代synchronized
- 需要注意的是，必須要必須要必須要手動(dòng)釋放鎖（重要的事情說(shuō)三遍）
- 使用syn鎖定的話如果遇到異常，jvm會(huì)自動(dòng)釋放鎖，但是lock必須手動(dòng)釋放鎖，因此經(jīng)常在finally中進(jìn)行鎖的釋放
- 使用reentrantlock可以進(jìn)行“嘗試鎖定”tryLock，這樣無(wú)法鎖定，或者在指定時(shí)間內(nèi)無(wú)法鎖定，線程可以決定是否繼續(xù)等待
- 使用ReentrantLock還可以調(diào)用lockInterruptibly方法，可以對(duì)線程interrupt方法做出響應(yīng)
- 在一個(gè)線程等待鎖的過(guò)程中，可以被打斷
2.ReentrantLock還有一個(gè)tryLock（time），可以指定時(shí)間，如果指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有獲得鎖，則放棄，可以通過(guò)其返回值來(lái)決定是否繼續(xù)等待
3.還有就是Condition了（我個(gè)人覺(jué)得這是最靈活的一個(gè)地方）
public class Lock_condition {
public static void main(String[] args) {
char[] aI = "1234567".toCharArray();
char[] aC = "ABCDEFG".toCharArray();
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition conditionT1 = lock.newCondition();
Condition conditionT2 = lock.newCondition();
new Thread(()->{
try {
lock.lock();
for(char c : aI) {
System.out.print(c);
conditionT2.signal();
conditionT1.await();
}
conditionT2.signal();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1").start();
new Thread(()->{
try {
lock.lock();
for(char c : aC) {
System.out.print(c);
conditionT1.signal();
conditionT2.await();
}
conditionT1.signal();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t2").start();
}
}
這是condition結(jié)合lock（獨(dú)占鎖）的用法
condition目前只實(shí)現(xiàn)了獨(dú)占鎖，關(guān)于condition的源碼理解，后續(xù)也會(huì)繼續(xù)更新，暫時(shí)我們只需要知道類(lèi)似object的wait與notifiy
三.原理+源碼
我們現(xiàn)在知道了基本用法，那么我們就可以開(kāi)始探究源碼了
1.AQS
我們知道JUC里面的核心類(lèi)就是AQS，那么AQS究竟是個(gè)啥東西呢？
1）先上內(nèi)部類(lèi)NODE源碼
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;
static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus;
volatile Node next;
volatile Node prev;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
不知道大家在看到這個(gè) Node next;Node prev;的時(shí)候是啥感覺(jué)，反正我當(dāng)時(shí)是激動(dòng)壞了，這不就是一個(gè)雙向鏈表嘛，
再看volatile Thread thread;這個(gè)屬性，這是一個(gè)管理線程的雙向鏈表，換句話說(shuō)就是將線程打包成立節(jié)點(diǎn)放入AQS的鏈表中
基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)清楚之后。
SHARED 與EXCLUSIVE 代表是獨(dú)占節(jié)點(diǎn)還是共享節(jié)點(diǎn)
2)再上AQS屬性源碼
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;Node0 head與tail不用說(shuō)，這是來(lái)管理節(jié)點(diǎn)的，
這里我們要核心介紹一個(gè)屬性是state，這也是AQS這個(gè)類(lèi)的靈魂,
1.再獨(dú)占鎖中這個(gè)state是1或者0，（如果大于1則表示鎖重入，這個(gè)稍后會(huì)有源碼分析）
2在共享鎖中代表還有多少共享鎖資源，
3.在讀寫(xiě)鎖中，高16位代表寫(xiě)鎖是否被占用，低16位代表有多少讀鎖，
4.在CountDownLatch中，通過(guò)構(gòu)造參數(shù)代碼門(mén)閘剩余個(gè)數(shù)
5.在Semaphore中，同樣通過(guò)構(gòu)造參數(shù)代表信號(hào)燈個(gè)數(shù)
2.ReentrantLock獲取鎖源碼（獨(dú)占鎖）
首先公平鎖與非公平鎖，分別繼承與Sync
FairSync NoFairSync ，默認(rèn)是非公平鎖，可以在構(gòu)造方法上指定
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);//ture則是公平鎖公平鎖故名思意，在AQS中管理著一個(gè)線程隊(duì)列，如果這時(shí)候 有一個(gè)線程過(guò)來(lái)?yè)屵@把鎖，如果是公平鎖，那么會(huì)判斷隊(duì)列是不是存在不同與當(dāng)前線程的等待隊(duì)列（FIFO），如果存在則去排隊(duì)，非公平鎖則是直接去排隊(duì)
（2.1.非公平鎖獲取鎖）
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//cas原子操作嘗試去修改值，如果修改成功說(shuō)明成功獲取到了鎖
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}首先cas原子操作嘗試去修改值，如果修改成功說(shuō)明成功獲取到了鎖,進(jìn)入setExclusiveOwnerThread（）方法
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}將當(dāng)前線程記錄，實(shí)現(xiàn)偏向鎖，一行代碼便完美實(shí)現(xiàn)了偏向鎖！！
如果失敗則，調(diào)用acquire（）；這個(gè)方法調(diào)用的實(shí)際上是子類(lèi)的nonfairTryAcquire方法
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;
}首先，獲取state的值，判斷是否為0，如果為0，則說(shuō)明鎖沒(méi)有被占有，（可能是剛剛被釋放）那么cas操作開(kāi)始嘗試獲取鎖，
**（注意注意注意）**重要的事情說(shuō)三遍，這里僅僅嘗試獲取一次，沒(méi)有自旋！！這是獨(dú)占鎖與共享鎖的區(qū)別之一，因?yàn)槿绻鹲tate>=0(對(duì)于共享鎖來(lái)說(shuō)state代表剩余數(shù)量)，那么共享鎖會(huì)不斷嘗試自旋獲取鎖，之道state<0,因?yàn)橹灰?那么就可能共享到鎖
接下來(lái)的else if就是重入鎖的操作了，判斷當(dāng)先線程是不是記錄的線程，如果是，每次重入state+1，如果不是就返回flase，直接拜拜
（2.2公平鎖獲取鎖）
剛剛介紹了公平鎖的意義，所有直接上源碼，公平鎖比非公平鎖多了一個(gè)公平判斷
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
// The correctness of this depends on head being initialized
// before tail and on head.next being accurate if the current
// thread is first in queue.
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());
}我們可以看到hasQueuedPredecessors是用來(lái)判斷隊(duì)列是否有不同于當(dāng)前線程的節(jié)點(diǎn)等待，這里重點(diǎn)討論一個(gè)情況，
h != t返回true，(s = h.next) == null返回true
首先可以知道隊(duì)列中有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是頭節(jié)點(diǎn)沒(méi)有后繼結(jié)點(diǎn)，在這里列舉一種情況，有另一個(gè)線程已經(jīng)執(zhí)行到初始化隊(duì)列的操作了，介于compareAndSetHead(new Node())與tail = head之間，也就是之后說(shuō)的enq自旋方法，請(qǐng)繼續(xù)往下看
繼續(xù)如果非公平鎖沒(méi)有獲取到鎖，那么會(huì)調(diào)用acquireQueued和addwaiter方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}首先來(lái)看addwaiter方法
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;
}首先將，當(dāng)前線程封裝成一個(gè)，Node，然后通過(guò)判斷尾結(jié)點(diǎn)是不是空的方式，判斷隊(duì)列是不是空的，如果存在尾結(jié)點(diǎn)，那么直接進(jìn)先驅(qū)后繼的改造，放入雙向鏈表，完成鏈表結(jié)構(gòu)，那么如果是空的呢？這么調(diào)用了一個(gè)enq的自旋方法
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;
}
}
}
}我們可以看到這個(gè)一個(gè)自旋方法，第一次循環(huán)：t為null，那么cas就new出來(lái)一個(gè)新結(jié)點(diǎn)，頭尾都指向這個(gè)新結(jié)點(diǎn)，
第二次循環(huán)，將傳進(jìn)來(lái)的這個(gè)線程結(jié)點(diǎn)的前驅(qū)指向剛剛new的這個(gè)結(jié)點(diǎn)，然后cas操作進(jìn)行，將這個(gè)線程結(jié)點(diǎn)替換為尾部結(jié)點(diǎn)，然后head后繼指向線程結(jié)點(diǎn)，返回head
經(jīng)過(guò)二次循環(huán)，得到了一個(gè)由2個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的隊(duì)列，head-》node，head是假節(jié)點(diǎn)（里面不包括線程為null），node才是真正的線程結(jié)點(diǎn)（addwrite封裝好的傳進(jìn)來(lái)的線程結(jié)點(diǎn)）
問(wèn)題1.為什么一定要用cas操作，因?yàn)榉乐箘e的線程修改了該隊(duì)列
好，現(xiàn)在我們繼續(xù)，看acquireQueued
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);
}
}這是一個(gè)最最核心的方法，從隊(duì)列中取線程
首先這是一個(gè)自旋，判斷該節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是不是head，因?yàn)椋‵IFO）先進(jìn)先出隊(duì)列。
如果不是直接拜拜進(jìn)入shouldParkAfterFailedAcquire，繼續(xù)上源碼
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;
- CANCELLED：因?yàn)槌瑫r(shí)或者中斷，結(jié)點(diǎn)會(huì)被設(shè)置為取消狀態(tài)，被取消狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)不應(yīng)該去競(jìng)爭(zhēng)鎖，只能保持取消狀態(tài)不變，不能轉(zhuǎn)換為其他狀態(tài)。處于這種狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)會(huì)被踢出隊(duì)列，被GC回收；
- SIGNAL：表示這個(gè)結(jié)點(diǎn)的繼任結(jié)點(diǎn)被阻塞了，到時(shí)需要通知它；
- CONDITION：表示這個(gè)結(jié)點(diǎn)在條件隊(duì)列中，因?yàn)榈却硞€(gè)條件而被阻塞；
- PROPAGATE：使用在共享模式頭結(jié)點(diǎn)有可能牌處于這種狀態(tài)，表示鎖的下一次獲取可以無(wú)條件傳播；
- 0：None of the above，新結(jié)點(diǎn)會(huì)處于這種狀態(tài)。
首先說(shuō)明一下waitStatus這個(gè)屬性，為什么之前不提呢，因?yàn)橹皼](méi)有對(duì)waitStatus進(jìn)行操作，我們?cè)趎ew節(jié)點(diǎn)與封裝結(jié)點(diǎn)的時(shí)候沒(méi)有考慮這個(gè)屬性，所以我們現(xiàn)在當(dāng)成一個(gè)新屬性，值為0來(lái)看待，
shouldParkAfterFailedAcquire這個(gè)代碼的邏輯意義是說(shuō)明呢？
如果是SIGNAL那么，直接ture，
如果大于0，則是CANCELLED，被取消了，直接剔除隊(duì)列
如果都不是，那么將其前驅(qū)結(jié)點(diǎn)設(shè)為SIGNAL，也就是可以安心睡覺(jué)了，定好鬧鐘了，可以被等著喚醒了，
我們現(xiàn)在很明顯是第三種，因?yàn)橹吧抖紱](méi)干，就是0，
所以本來(lái)狀態(tài)
進(jìn)行shouldParkAfterFailedAcquire之后，
那么現(xiàn)在鏈表中，對(duì)線程1的前驅(qū)設(shè)鬧鐘，0變成-1
假設(shè)這時(shí)候又來(lái)了個(gè)線程2，那么同理，對(duì)線程而的先驅(qū)設(shè)鬧鐘0變成-1
在調(diào)用了shouldParkAfterFailedAcquire（）之后，調(diào)用parkAndCheckInterrupt方法用于阻塞，
這里提一下，關(guān)于parkAndCheckInterrupt，lock里面用于阻塞都是基于lockSupper.park()與lockSupper.unpark()完成了，而lockSupper調(diào)用的又是unsafe這個(gè)類(lèi)，我們知道java是基于jvm實(shí)現(xiàn)的，并不能和c++一樣直接對(duì)os進(jìn)行操作，所以jvm給我們提供了一個(gè)梯子，這個(gè)梯子就是unsafe這個(gè)類(lèi)，直接將線程的的交個(gè)操作系統(tǒng)阻塞
四,釋放鎖
終于到了釋放鎖，獨(dú)占鎖的釋放鎖的邏輯相對(duì)與共享鎖來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，后續(xù)我也會(huì)繼續(xù)更新共享鎖的源碼
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}首先我們來(lái)看tryRelease方法，
protected final boolean tryRelease(int releases) {
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;
}首先獲取，int c = getState() - releases;這里可能c是>0的，因?yàn)楠?dú)占鎖的重入鎖（上面以及說(shuō)明了獨(dú)占鎖的重入的源碼操作），所以有可能是需要進(jìn)行多次解鎖的，繼續(xù)
判斷當(dāng)前線程是不是獨(dú)占線程，如果不是則報(bào)IllegalMonitorStateException異常
一直解鎖到c=0的時(shí)候，那么線程已經(jīng)解鎖，則設(shè)setExclusiveOwnerThread=null
設(shè)置當(dāng)前獨(dú)占線程為null，然后設(shè)置state為0
繼續(xù)回到release，如果頭節(jié)點(diǎn)不是null而且h.waitStatus != 0，說(shuō)明是-1，說(shuō)明設(shè)置鬧鐘了，需要喚醒a(bǔ)qs隊(duì)列中的阻塞結(jié)點(diǎn)，調(diào)用的是unparkSuccessor方法，繼續(xù)看源碼
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
Node s = node.next;
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;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}這里首先明確，這里傳進(jìn)來(lái)的node是啥？是頭節(jié)點(diǎn)?。。?！，一定要明確這個(gè)，博主就是因?yàn)閯傞_(kāi)始沒(méi)明確這個(gè)，半天沒(méi)明白，因?yàn)閱拘岩欢ㄊ菃拘杨^節(jié)點(diǎn)之后的waitStatus不為1的結(jié)點(diǎn)
首先判斷頭節(jié)點(diǎn)，如果是-1則設(shè)置為0，這個(gè)中間狀態(tài)，表示有結(jié)點(diǎn)被喚醒了，
然后拿到，head的后繼節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行判斷，如何是null或者waitStatus >0，（就是1，CANCELLED，代表被取消了），這個(gè)時(shí)候從尾部開(kāi)始遍歷，剔除waitStatus >0的節(jié)點(diǎn)，找到第一個(gè)waitStatus <=0的節(jié)點(diǎn)，用LockSupport.unpark(s.thread);將其喚醒，喚醒之后的線程回到acquireQueued方法中，
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//被阻塞的線程，被喚醒后在進(jìn)行循環(huán)，
//然后通過(guò)return interrupted;
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);
}
}首先，將該結(jié)點(diǎn)設(shè)置為head，然后將老head指向null，幫助gc回收，然后return返回，至此線程自由
那么此時(shí)該隊(duì)列為
五，總結(jié)
寫(xiě)了很久，如果有啥不對(duì)的地方，歡迎大家指正
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