JUC锁机制

2022-07-12 13:25:19

JUC锁机制(Lock)学习笔记，附详细源码解析

2013-08-22 20:03 by CM4J, 56 阅读, 0 评论,收藏, 编辑

锁机制学习笔记

CAS的意义

CAS只是尝试性操作，可能一个线程在对比的时候，另一个线程已更改了状态，所以CAS操作可能失败。

for (;;){

if (CAS(obj,expect,update)){

do other business

}

CAS(obj,expect,update) 必有一个期望对象expect，一个更新对象update，expect在多线程情况下同一时间只会有一个线程能匹配，且整个CAS方法中，other business都不是共享变量，因为他们对并发无影响。

CAS经常放在循环中，在多线程情况下，就是哪个线程先匹配到expect就执行，其他线程可在下次循环中再匹配到。

锁的一些基本原理

锁其实是个独占资源，其中的state代表的就是独占资源，获取锁就是线程对state数值的增加，释放锁就是state减少的过程

1.加锁的意义在于多线程获取同一个锁，这样每个线程就会按照获取锁的顺序执行。

2.在线程内创建的对象，是每个线程独立的，因为对它的操作无需加锁，而对共享变量的操作，就必须加锁或者CAS，如果CAS失败，则代表此次操作尝试失败，需考虑后续操作

3.尽量在线程外的其他类对共享变量进行锁定（即尽量实现线程安全的类），而不要把锁带到线程内去操作锁定，因为这样会增加代码复杂性

ReentrantLock的相关代码结构

两个重要的状态

I.AQS的state（int类型，32位）

用来描述有多少线程获持有锁。

在独占锁的时代这个值通常是0或者1

对于可重入锁，一个线程可多次进入，每次进入state+1

在共享锁的时代就是持有锁的数量。

tryAcquire()和tryRelease()其实就是尝试获取状态位state的修改权限并设置独占Thread

II.Node的waitStatus

对队列中节点的操作(锁定线程或释放线程)则是基于节点的waitStatus的
CANCELLED = 1：
节点操作因为超时或者对应的线程被interrupt。节点不应该不留在此状态，一旦达到此状态将从CHL队列中踢出。
SIGNAL = -1：
节点的继任节点是（或者将要成为）BLOCKED状态（例如通过LockSupport.park()操作），因此一个节点一旦被释放（解锁）或者取消就需要唤醒（LockSupport.unpack()）它的继任节点。
CONDITION = -2：
表明节点对应的线程因为不满足一个条件（Condition）而被阻塞。
正常状态 = 0：
新生的非CONDITION节点都是此状态。

对于处在阻塞队列中的节点，当前节点之前的节点：
waitStatus > 0的是取消的节点，在处理中应该剔除
waitStatus = 0的，则需要将其改成-1

因此整个阻塞节点链的waitStatus应该为：-1,-1,-1,0

获取锁(AQS)的流程

锁的获取和释放都是基于上述2个状态来的，首先能不能获取锁是由AQS.state来控制，因此tryAcquire()和tryRelease()都是对state的控制，如果不能获取锁则需要加入到等待队列，此时线程的等待与释放则是由Node的waitStatus控制的。

下图演示了一个线程获取独占锁的过程：

I.获取锁总操作

Java Code

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

整个过程可分为以下四个步骤(只有tryAcquire是在Sync，其他3个都是在AQS中)：

1. tryAcquire(arg)：

如果tryAcquire(arg)成功，那就没有问题，已经拿到锁，整个lock()过程就结束了。如果失败进行操作2。
2. addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：

创建一个独占节点（Node）并且此节点加入CHL队列末尾。进行操作3。
3. acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)：

自旋尝试获取锁，失败根据前一个节点来决定是否挂起（park()），直到成功获取到锁。进行操作4。
4. selfInterrupt()：

如果当前线程已经中断过，那么就中断当前线程（清除中断位）。

II.tryAcquire(尝试获取锁)

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {  // 0，代表当前锁无其他线程持有
        if (isFirst(current) && compareAndSetState(0, acquires)) { // isFirst是公平锁和非公平锁在tryAcquire的唯一区别
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 非0，代表有线程持有锁，判断持有者是否为当前线程
        // 这里修改为旧值+1呢？这是因为ReentrantLock是可重入锁，同一个线程每持有一次就+1
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

非公平锁与公平锁在tryAcquire()方法上唯一区别就是比公平锁少了 isFirst(current)，它的作用就是判断AQS是否为空或者当前线程是否在队列头

III.添加到等待队列

AQS的节点结构：

上图的head，tail，prev，next这几个属性构造了一条节点链

Java Code 将节点加入到队列中

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private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 这一段是为提高性能而设的，没有也不影响功能
    // 如果tail不为空，则设置新tail并返回
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node); // 如果tail为空，则执行enq()，创建新head，插入队列，否则逻辑和上面一样
    return node;
}

enq(Node)去队列操作实现了CHL队列的算法，如果为空就创建头结点，然后同时比较节点尾部是否是改变来决定CAS操作是否成功，当且仅当成功后才将尾部节点的下一个节点指向为新节点。可以看到这里仍然是CAS操作。

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private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // tail == null,创建新的节点加入到尾部
            Node h = new Node(); // dummy header,傀儡节点
            h.next = node;
            node.prev = h;
            if (compareAndSetHead(h)) { // CAS设置头部
                tail = node;
                return h;
            }
        } else { // tail != null，则和addWaiter()中那段一样
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

IIII.自旋请求锁

如果可能的话挂起线程，直到得到锁，返回当前线程是否中断过（如果park()过并且中断过的话有一个interrupted中断位）。

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final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 循环操作
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果第一个节点是Dummy Header也就是傀儡节点，那么第二个节点实际上就是头结点了,此时则尝试获取锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                return interrupted;
            }
            // acquire失败，判断是否应该park，并检查线程是否interrupt
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } catch (RuntimeException ex) {
        cancelAcquire(node);
        throw ex;
    }
}

// CANCELLED = 1
// SIGNAL = -1
// CONDITION = -2
// NORMAL = 0
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 前一个节点的状态(注意：不是当前节点)
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws < 0)
        // waitStatus<0，也就是前面的节点还没有获得到锁，那么返回true，表示当前节点（线程）就应该park()了。
        return true;
    if (ws > 0) {
        // waitStatus>0，也就是前一个节点被CANCELLED了，那么就将前一个节点去掉，递归此操作直到所有前一个节点的waitStatus<=0，进行4
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // waitStatus=0，修改前一个节点状态位为SINGAL，表示后面有节点等待你处理，需要根据它的等待状态来决定是否该park()
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    // ws<0才需要park()，ws>=0都返回false，表示线程不应该park()
    return false;
}

IIIII.释放锁

release()设置state=state-1，如果state=0，则无其他线程持有锁，可unpark节点链的head节点的后续线程（因为head节点是在节点链的傀儡节点），否则不做操作。

同时unparkSuccessor()会先把前置节点的waitStatus设为0，然后再unpark线程

因为state=0，则acquireQueued()的tryAcquire()能成功，即此线程能获取到锁退出

注意：

unpark是按照节点链的顺序一次unpark一个线程

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public final boolean release(int arg) {
    // tryRelease 成功
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // unpark节点链的head后续节点的线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // state-1
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // state-1 == 0，则说明此时没有其他线程持有锁，release成功，unpark节点链的head节点的后续线程
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 设置新state
    setState(c);
    return free;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 此时node是需要释放锁的头节点
    // 清空头结点的waitStatus，也就是不需要锁了，这里修改成功失败无所谓
    compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

// 从头结点的下一个节点开始寻找继任节点，当且仅当继任节点的waitStatus<=0才是有效继任节点，否则将这些waitStatus>0（也就是CANCELLED的节点）从AQS队列中剔除
    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);
}

原创文章，请注明引用来源：CM4J

参考文章：http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/05/325274.html

标签: 独占锁, JUC, lock

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