多线程编程-- part5.1 互斥锁之公平锁-获取锁

基本概念

1.AQS:AbstractQueuedSynchronizer类

  AQS是java中管理“锁”的抽象类,锁的许多公共方法都是在这个类中实现。AQS是独占锁(例如,ReentrantLock)和共享锁(例如,Semaphore)的公共父类。

(01) 独占锁 -- 锁在一个时间点只能被一个线程锁占有。根据锁的获取机制,它又划分为“公平锁”和“非公平锁”。公平锁,是按照通过CLH等待线程按照先来先得的规则,公平的获取锁;而非公平锁,则当线程要获取锁时,它会无视CLH等待队列而直接获取锁。独占锁的典型实例子是ReentrantLock,此外,ReentrantReadWriteLock.WriteLock也是独占锁。
(02) 共享锁 -- 能被多个线程同时拥有,能被共享的锁。JUC包中的ReentrantReadWriteLock.ReadLock,CyclicBarrier, CountDownLatch和Semaphore都是共享锁

2.CLH队列:Craig, Landin, and Hagersten lock queue

  CLH队列是AQS中“等待锁”的线程队列。在多线程中,为了保护竞争资源不被多个线程同时操作而起来错误,我们常常需要通过锁来保护这些资源。在独占锁中,竞争资源在一个时间点只能被一个线程锁访问;而其它线程则需要等待。CLH就是管理这些“等待锁”的线程的队列。
  CLH是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候,在并发条件下不会阻塞,而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。

  自旋锁:但是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁

3.CAS函数:Compare And Swap

  CAS函数,是比较并交换函数,它是原子操作函数;即,通过CAS操作的数据都是以原子方式进行的。例如,compareAndSetHead(), compareAndSetTail(), compareAndSetNext()等函数。它们共同的特点是,这些函数所执行的动作是以原子的方式进行的。

ReentrantLock数据结构

 多线程编程-- part5.1 互斥锁之公平锁-获取锁

从图中可以看出:
(01) ReentrantLock实现了Lock接口。
(02) ReentrantLock与sync是组合关系。ReentrantLock中,包含了Sync对象;而且,Sync是AQS的子类;更重要的是,Sync有两个子类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)。ReentrantLock是一个独占锁,至于它到底是公平锁还是非公平锁,就取决于sync对象是"FairSync的实例"还是"NonFairSync的实例"。

获取公平锁

1.lock()

lock()在ReentrantLock.java的FairSync类中实现,它的源码如下:

final void lock() {
acquire(1);
}

说明:“当前线程”实际上是通过acquire(1)获取锁的。
        这里说明一下“1”的含义,它是设置“锁的状态”的参数。对于“独占锁”而言,锁处于可获取状态时,它的状态值是0;锁被线程初次获取到了,它的状态值就变成了1。
        由于ReentrantLock(公平锁/非公平锁)是可重入锁,所以“独占锁”可以被单个线程多此获取,每获取1次就将锁的状态+1。也就是说,初次获取锁时,通过acquire(1)将锁的状态值设为1;再次获取锁时,将锁的状态值设为2;依次类推...这就是为什么获取锁时,传入的参数是1的原因了。
        可重入就是指锁可以被单个线程多次获取。

2.Acquire()

acquire()在AQS中实现的,它的源码如下:

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

(01) “当前线程”首先通过tryAcquire()尝试获取锁。获取成功的话,直接返回;尝试失败的话,进入到等待队列排序等待(前面还有可能有需要线程在等待该锁)。
(02) “当前线程”尝试失败的情况下,先通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)来将“当前线程”加入到"CLH队列(非阻塞的FIFO队列)"末尾。CLH队列就是线程等待队列。
(03) 再执行完addWaiter(Node.EXCLUSIVE)之后,会调用acquireQueued()来获取锁。由于此时ReentrantLock是公平锁,它会根据公平性原则来获取锁。
(04) “当前线程”在执行acquireQueued()时,会进入到CLH队列中休眠等待,直到获取锁了才返回!如果“当前线程”在休眠等待过程中被中断过,acquireQueued会返回true,此时"当前线程"会调用selfInterrupt()来自己给自己产生一个中断。至于为什么要自己给自己产生一个中断,后面再介绍。

一.tryAcquire()

<1>tryAcquire()

公平锁的tryAcquire()在ReentrantLock.java的FairSync类中实现,源码如下:

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 获取“当前线程”
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取“独占锁”的状态
int c = getState();
// c=0意味着“锁没有被任何线程锁拥有”,
if (c == 0) {
// 若“锁没有被任何线程锁拥有”,
// 则判断“当前线程”是不是CLH队列中的第一个线程线程,
// 若是的话,则获取该锁,设置锁的状态,并切设置锁的拥有者为“当前线程”。
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 如果“独占锁”的拥有者已经为“当前线程”,
// 则将更新锁的状态。
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
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说明:根据代码,我们可以分析出,tryAcquire()的作用就是尝试去获取锁。注意,这里只是尝试!
         尝试成功的话,返回true;尝试失败的话,返回false,后续再通过其它办法来获取该锁。后面我们会说明,在尝试失败的情况下,是如何一步步获取锁的。

<2>hasQueuedPredecessors()

hasQueuedPredecessors()在AQS中实现,源码如下:

多线程编程-- part5.1 互斥锁之公平锁-获取锁
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
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说明: 通过代码,能分析出,hasQueuedPredecessors() 是通过判断"当前线程"是不是在CLH队列的队首,来返回AQS中是不是有比“当前线程”等待更久的线程。下面对head、tail和Node进行说明。

<3>Node源码

private transient volatile Node head;    // CLH队列的队首
private transient volatile Node tail; // CLH队列的队尾 // CLH队列的节点
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null; // 线程已被取消,对应的waitStatus的值
static final int CANCELLED = 1;
// “当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)”,对应的waitStatus的值。
// 一般发生情况是:当前线程的后继线程处于阻塞状态,而当前线程被release或cancel掉,因此需要唤醒当前线程的后继线程。
static final int SIGNAL = -1;
// 线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒,对应的waitStatus的值
static final int CONDITION = -2;
// (共享锁)其它线程获取到“共享锁”,对应的waitStatus的值
static final int PROPAGATE = -3; // waitStatus为“CANCELLED, SIGNAL, CONDITION, PROPAGATE”时分别表示不同状态,
// 若waitStatus=0,则意味着当前线程不属于上面的任何一种状态。
volatile int waitStatus; // 前一节点
volatile Node prev; // 后一节点
volatile Node next; // 节点所对应的线程
volatile Thread thread; // nextWaiter是“区别当前CLH队列是 ‘独占锁’队列 还是 ‘共享锁’队列 的标记”
// 若nextWaiter=SHARED,则CLH队列是“独占锁”队列;
// 若nextWaiter=EXCLUSIVE,(即nextWaiter=null),则CLH队列是“共享锁”队列。
Node nextWaiter; // “共享锁”则返回true,“独占锁”则返回false。
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
} // 返回前一节点
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
} Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
} // 构造函数。thread是节点所对应的线程,mode是用来表示thread的锁是“独占锁”还是“共享锁”。
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
} // 构造函数。thread是节点所对应的线程,waitStatus是线程的等待状态。
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}

Node是CLH队列的节点,代表“等待锁的线程队列”。
(01) 每个Node都会一个线程对应。
(02) 每个Node会通过prev和next分别指向上一个节点和下一个节点,这分别代表上一个等待线程和下一个等待线程。
(03) Node通过waitStatus保存线程的等待状态。
(04) Node通过nextWaiter来区分线程是“独占锁”线程还是“共享锁”线程。如果是“独占锁”线程,则nextWaiter的值为EXCLUSIVE;如果是“共享锁”线程,则nextWaiter的值是SHARED。

<4>compareAndSetState()

compareAndSetState()在AQS中实现。它的源码如下:

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

说明: compareAndSwapInt() 是sun.misc.Unsafe类中的一个本地方法。对此,我们需要了解的是 compareAndSetState(expect, update) 是以原子的方式操作当前线程;若当前线程的状态为expect,则设置它的状态为update。

<5>setExclusiveOwnerThread()

setExclusiveOwnerThread()在AbstractOwnableSynchronizer.java中实现,它的源码如下:

// exclusiveOwnerThread是当前拥有“独占锁”的线程
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t) {
exclusiveOwnerThread = t;
}

说明:setExclusiveOwnerThread()的作用就是,设置线程t为当前拥有“独占锁”的线程。

6.getState()和setState()

6. getState(), setState()

getState()和setState()都在AQS中实现,源码如下:

多线程编程-- part5.1 互斥锁之公平锁-获取锁
// 锁的状态
private volatile int state;
// 设置锁的状态
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
// 获取锁的状态
protected final int getState() {
return state;
}
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说明:state表示锁的状态,对于“独占锁”而已,state=0表示锁是可获取状态(即,锁没有被任何线程锁持有)。由于java中的独占锁是可重入的,state的值可以>1。

小结:tryAcquire()的作用就是让“当前线程”尝试获取锁。获取成功返回true,失败则返回false。

二.addWaiter()

  addWaiter(Node.EXCLUSIVE)的作用是,创建“当前线程”的Node节点,且Node中记录“当前线程”对应的锁是“独占锁”类型,并且将该节点添加到CLH队列的末尾。

<1>addWaiter()

addWaiter()在AQS中实现,源码如下:

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private Node addWaiter(Node mode) {
// 新建一个Node节点,节点对应的线程是“当前线程”,“当前线程”的锁的模型是mode。
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
// 若CLH队列不为空,则将“当前线程”添加到CLH队列末尾
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 若CLH队列为空,则调用enq()新建CLH队列,然后再将“当前线程”添加到CLH队列中。
enq(node);
return node;
}
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说明:对于“公平锁”而言,addWaiter(Node.EXCLUSIVE)会首先创建一个Node节点,节点的类型是“独占锁”(Node.EXCLUSIVE)类型。然后,再将该节点添加到CLH队列的末尾。

<2>compareAndSetTail()

compareAndSetTail()在AQS中实现,源码如下:

private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}

说明:compareAndSetTail也属于CAS函数,也是通过“本地方法”实现的。compareAndSetTail(expect, update)会以原子的方式进行操作,它的作用是判断CLH队列的队尾是不是为expect,是的话,就将队尾设为update。

<3>enq()

enq()在AQS中实现,源码如下:

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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;
}
}
}
}
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说明: enq()的作用很简单。如果CLH队列为空,则新建一个CLH表头;然后将node添加到CLH末尾。否则,直接将node添加到CLH末尾。

  小结:addWaiter()的作用,就是将当前线程添加到CLH队列中。这就意味着将当前线程添加到等待获取“锁”的等待线程队列中了。

三.acquireQueued()

  前面,我们已经将当前线程添加到CLH队列中了。而acquireQueued()的作用就是逐步的去执行CLH队列的线程,如果当前线程获取到了锁,则返回;否则,当前线程进行休眠,直到唤醒并重新获取锁了才返回。

acquireQueued()在AQS中实现,源码如下:

多线程编程-- part5.1 互斥锁之公平锁-获取锁
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// interrupted表示在CLH队列的调度中,
// “当前线程”在休眠时,有没有被中断过。
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取上一个节点。
// node是“当前线程”对应的节点,这里就意味着“获取上一个等待锁的线程”。
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);
}
}
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说明:acquireQueued()的目的是从队列中获取锁。

2. shouldParkAfterFailedAcquire()

shouldParkAfterFailedAcquire()在AQS中实现,源码如下:

多线程编程-- part5.1 互斥锁之公平锁-获取锁
// 返回“当前线程是否应该阻塞”
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 前继节点的状态
int ws = pred.waitStatus;
// 如果前继节点是SIGNAL状态,则意味这当前线程需要被unpark唤醒。此时,返回true。
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 如果前继节点是“取消”状态,则设置 “当前节点”的 “当前前继节点” 为 “‘原前继节点’的前继节点”。
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 如果前继节点为“0”或者“共享锁”状态,则设置前继节点为SIGNAL状态。
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
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说明
(01) 关于waitStatus请参考下表(中扩号内为waitStatus的值),更多关于waitStatus的内容,可以参考前面的Node类的介绍。

CANCELLED[1]  -- 当前线程已被取消
SIGNAL[-1] -- “当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)”。一般发生情况是:当前线程的后继线程处于阻塞状态,而当前线程被release或cancel掉,因此需要唤醒当前线程的后继线程。
CONDITION[-2] -- 当前线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒
PROPAGATE[-3] -- (共享锁)其它线程获取到“共享锁”
[0] -- 当前线程不属于上面的任何一种状态。

(02) shouldParkAfterFailedAcquire()通过以下规则,判断“当前线程”是否需要被阻塞。

规则1:如果前继节点状态为SIGNAL,表明当前节点需要被unpark(唤醒),此时则返回true。
规则2:如果前继节点状态为CANCELLED(ws>0),说明前继节点已经被取消,则通过先前回溯找到一个有效(非CANCELLED状态)的节点,并返回false。
规则3:如果前继节点状态为非SIGNAL、非CANCELLED,则设置前继的状态为SIGNAL,并返回false。

如果“规则1”发生,即“前继节点是SIGNAL”状态,则意味着“当前线程”需要被阻塞。接下来会调用parkAndCheckInterrupt()阻塞当前线程,直到当前先被唤醒才从parkAndCheckInterrupt()中返回。

<3>parkAndCheckInterrupt()

parkAndCheckInterrupt()在AQS中实现,源码如下:

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
// 通过LockSupport的park()阻塞“当前线程”。
LockSupport.park(this);
// 返回线程的中断状态。
return Thread.interrupted();
}

说明:parkAndCheckInterrupt()的作用是阻塞当前线程,并且返回“线程被唤醒之后”的中断状态。
它会先通过LockSupport.park()阻塞“当前线程”,然后通过Thread.interrupted()返回线程的中断状态。

这里介绍一下线程被阻塞之后如何唤醒。一般有2种情况:
第1种情况:unpark()唤醒。“前继节点对应的线程”使用完锁之后,通过unpark()方式唤醒当前线程。
第2种情况:中断唤醒。其它线程通过interrupt()中断当前线程。

补充:LockSupport()中的park(),unpark()的作用 和 Object中的wait(),notify()作用类似,是阻塞/唤醒。
它们的用法不同,park(),unpark()是轻量级的,而wait(),notify()是必须先通过Synchronized获取同步锁。

<4>再次tryAcquire()

了解了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()函数之后。我们接着分析acquireQueued()的for循环部分。

多线程编程-- part5.1 互斥锁之公平锁-获取锁
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
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说明
(01) 通过node.predecessor()获取前继节点。predecessor()就是返回node的前继节点,若对此有疑惑可以查看下面关于Node类的介绍。
(02) p == head && tryAcquire(arg)
       首先,判断“前继节点”是不是CHL表头。如果是的话,则通过tryAcquire()尝试获取锁。
       其实,这样做的目的是为了“让当前线程获取锁”,但是为什么需要先判断p==head呢?理解这个对理解“公平锁”的机制很重要,因为这么做的原因就是为了保证公平性!
       (a) 前面,我们在shouldParkAfterFailedAcquire()我们判断“当前线程”是否需要阻塞;
       (b) 接着,“当前线程”阻塞的话,会调用parkAndCheckInterrupt()来阻塞线程。当线程被解除阻塞的时候,我们会返回线程的中断状态。而线程被解决阻塞,可能是由于“线程被中断”,也可能是由于“其它线程调用了该线程的unpark()函数”。
       (c) 再回到p==head这里。如果当前线程是因为其它线程调用了unpark()函数而被唤醒,那么唤醒它的线程,应该是它的前继节点所对应的线程(关于这一点,后面在“释放锁”的过程中会看到)。 OK,是前继节点调用unpark()唤醒了当前线程!
            此时,再来理解p==head就很简单了:当前继节点是CLH队列的头节点,并且它释放锁之后;就轮到当前节点获取锁了。然后,当前节点通过tryAcquire()获取锁;获取成功的话,通过setHead(node)设置当前节点为头节点,并返回。
       总之,如果“前继节点调用unpark()唤醒了当前线程”并且“前继节点是CLH表头”,此时就是满足p==head,也就是符合公平性原则的。否则,如果当前线程是因为“线程被中断”而唤醒,那么显然就不是公平了。这就是为什么说p==head就是保证公平性!

小结:acquireQueued()的作用就是“当前线程”会根据公平性原则进行阻塞等待,直到获取锁为止;并且返回当前线程在等待过程中有没有并中断过。

四.selfInterrupt()

selfInterrupt()是AQS中实现,源码如下:

private static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}

说明:selfInterrupt()的代码很简单,就是“当前线程”自己产生一个中断。但是,为什么需要这么做呢?
这必须结合acquireQueued()进行分析。如果在acquireQueued()中,当前线程被中断过,则执行selfInterrupt();否则不会执行。

在acquireQueued()中,即使是线程在阻塞状态被中断唤醒而获取到cpu执行权利;但是,如果该线程的前面还有其它等待锁的线程,根据公平性原则,该线程依然无法获取到锁。它会再次阻塞! 该线程再次阻塞,直到该线程被它的前面等待锁的线程锁唤醒;线程才会获取锁,然后“真正执行起来”!
也就是说,在该线程“成功获取锁并真正执行起来”之前,它的中断会被忽略并且中断标记会被清除! 因为在parkAndCheckInterrupt()中,我们线程的中断状态时调用了Thread.interrupted()。该函数不同于Thread的isInterrupted()函数,isInterrupted()仅仅返回中断状态,而interrupted()在返回当前中断状态之后,还会清除中断状态。 正因为之前的中断状态被清除了,所以这里需要调用selfInterrupt()重新产生一个中断!

小结:selfInterrupt()的作用就是当前线程自己产生一个中断。

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