Java?多線程并發(fā)ReentrantLock
背景
在 Java 中實現(xiàn)線程安全的傳統(tǒng)方式是 synchronized 關(guān)鍵字，雖然它提供了一定的同步能力，但它在使用上是嚴格的互斥同步實現(xiàn)：一個線程只能獲取一次鎖，沒有給其他線程提供等待隊列等機制，以至于當一個鎖被釋放后，任意線程都有可能獲取到鎖，沒有線程等待的優(yōu)先級順序，會導(dǎo)致重要的線程在沒有爭用到鎖的情況下，長時間阻塞。為了解決 synchronized 的痛點，Java 提供了 ReentrantLock 可重入鎖來提供更豐富的能力和靈活性。
ReentrantLock
ReentrantLock 是一種可重入互斥鎖，其基本能力與使用 synchronized 關(guān)鍵字相同，但拓展了一些功能。它實現(xiàn)了 Lock 接口，在訪問共享資源時提供了同步的方法。操作共享資源的代碼被加鎖和解鎖方法的調(diào)用之間，從而確保當前線程在調(diào)用加鎖方法后，阻止其他線程試圖訪問共享資源。
可重入特性
ReentrantLock 由上次成功鎖定的但尚未解鎖的線程持有；當鎖不被任何線程擁有時，調(diào)用 lock 方法的線程將獲取到這個 ReentrantLock，如果當前線程已經(jīng)擁有 ReentrantLock ，lock 方法會立即返回。
ReentrantLock 允許線程多次進入資源鎖。當線程第一次進入鎖時，保持計數(shù)設(shè)置為 1。在解鎖之前，線程可以再次重新進入鎖定狀態(tài)，并且每次保持計數(shù)加一。對于每個解鎖請求，保持計數(shù)減一，當保持計數(shù)為 0 時，資源被解鎖。
公平鎖設(shè)置參數(shù)
ReentrantLock 的構(gòu)造器接收一個可選的 fairness 參數(shù)（Boolean 類型）。當設(shè)置為 true 時，在線程爭用時，鎖優(yōu)先授予等待時間最長的線程訪問。否則，此鎖不保證任何特定的順序。但是請注意，鎖的公平性不能保證線程調(diào)度的公平性。
可重入鎖還提供了一個公平參數(shù)，通過該參數(shù)，鎖將遵循鎖請求的順序，即在線程解鎖資源后，鎖將轉(zhuǎn)到等待時間最長的線程。這種公平模式是通過將 true 傳遞給鎖的構(gòu)造函數(shù)來設(shè)置的。
源碼分析
Lock 接口
ReentrantLock 實現(xiàn)了 Lock 接口，所以分析源碼先從 Lock 接口開始：
public interface Lock {
? ?void lock();
? ?void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
? ?boolean tryLock();
? ?boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
? ?void unlock();?
? ?Condition newCondition();
}Lock 接口定義了更靈活和更廣泛的鎖定操作。synchronized 關(guān)鍵字是 JVM 底層提供了 monitor 指令的形式加鎖，這導(dǎo)致了獲取多個鎖時，需要按獲取順序的倒序解鎖。Lock 就是為了解決這種不夠靈活的問題而出現(xiàn)的。Lock 接口的實現(xiàn)通過允許在不同范圍內(nèi)獲取和釋放鎖以及允許多個鎖按任意順序的獲取和釋放。隨著這種靈活性的增加，額外的職責也就隨之而來，synchronized 關(guān)鍵字以代碼塊的結(jié)構(gòu)加鎖，執(zhí)行完成鎖會自動釋放，而 Lock 的實現(xiàn)則需要手動釋放鎖，大多數(shù)情況下，
應(yīng)該使用下面的語句實現(xiàn)：
Lock l = ...;
l.lock();
try {
? // access the resource protected by this lock
} finally {
? l.unlock();
}當鎖定和解鎖發(fā)生在不同的作用域時，必須注意確保所有在持有鎖時執(zhí)行的代碼都受到 try-finally 或 try-catch 的保護，以確保在必要時釋放鎖。
Lock 接口中定義的方法可以劃分為三部分：
- 加鎖操作
- 解鎖操作
- newCondition
加鎖操作
加鎖操作提供了四個方法：
? ?// 獲取鎖，如果鎖不可用，則當前線程將被禁用以用于線程調(diào)度目的并處于休眠狀態(tài)，直到獲取到鎖為止。 ? ?void lock();? ? ?void lockInterruptibly() throws InterruptedException; ? ?boolean tryLock(); ? ?boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
lock()：獲取鎖，如果無法獲取到，則當前線程進入阻塞狀態(tài)，直到獲取到鎖為止。
lockInterruptibly()：除非當前線程被中斷，否則去獲取鎖。如果獲取到了鎖，則立即返回。如果沒有爭用到鎖，則當前線程阻塞，直到發(fā)生下面兩種情況之一：
如果當前線程：
以上兩種情況都會拋出 InterruptedException ，并清除當前線程的中斷狀態(tài)。
- 當前線程獲取到了鎖
- 其他線程中斷了當前線程
- 在進入此方法時，設(shè)置了中斷狀態(tài)
- 在獲取鎖的過程中被中斷
tryLock()
僅當鎖處于空閑狀態(tài)時，才獲取鎖。獲取到鎖立即返回 true，如果鎖被其他線程持有，則此方法立即返回 false 。
此方法的典型用法是：
Lock lock = ...;
if (lock.tryLock()) {
? try {
? ? // manipulate protected state
? } finally {
? ? lock.unlock();
? }
} else {
? // perform alternative actions
}這種用法確保鎖在獲得時解鎖，并且在未獲得鎖時不嘗試解鎖。
tryLock(long time, TimeUnit unit)
- 如果在給定時間內(nèi)鎖處于空閑狀態(tài)，且當前線程沒有被中斷，則獲取鎖。
- 如果當前線程成功獲取到了鎖，則此方法立即返回 true ；如果當前線程無法獲取到鎖，則當前線程會進入阻塞狀態(tài)直到發(fā)生下面三種情況之一：
- 如果進入此方法時當前線程處于中斷狀態(tài)或獲取鎖的過程中已進入中斷狀態(tài)，以上兩種情況都會拋出
InterruptedException，并清除當前線程的中斷狀態(tài)。 - 此外，如果 time 參數(shù)小于等于 0 ，該方法不會等待。
- 鎖被當前線程成功獲取
- 指定時間超時
- 其他線程中斷了當前線程
解鎖操作：
解鎖操作只提供了 unlock() 方法。
newCondition：
返回綁定到此 Lock 的 Condition 實例。
內(nèi)部類
ReentrantLock 有三個內(nèi)部類，分別是 Sync、NonfairSync、FairSync 。
它們的繼承關(guān)系是：
Sync
這個類是 AQS 的直接實現(xiàn)，它為公平鎖實現(xiàn) FairSync 和非公平鎖實現(xiàn) NonfairSync 提供了共同的基礎(chǔ)能力。
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
? ?@ReservedStackAccess
? ?final boolean tryLock()
? ?abstract boolean initialTryLock();
? ?@ReservedStackAccess
? ?final void lock()
? ?@ReservedStackAccess
? ?final void lockInterruptibly()
? ?@ReservedStackAccess
? ?final boolean tryLockNanos(long nanos)
? ?@ReservedStackAccess
? ?protected final boolean tryRelease(int releases)
? ?protected final boolean isHeldExclusively()
? ?final ConditionObject newCondition()
? ?final Thread getOwner()
? ?final int getHoldCount()
? ?final boolean isLocked()
}下面是一些重點的方法講解。
tryLock
這個方法執(zhí)行了一個不公平的嘗試加鎖操作：
? ?@ReservedStackAccess
? ?final boolean tryLock() {
? ? ? ?Thread current = Thread.currentThread(); // 獲取當前線程
? ? ? ?int c = getState(); // 從 AQS 中獲取狀態(tài)
? ? ? ?if (c == 0) { // 當前鎖的狀態(tài)為未被持有
? ? ? ? ? ?if (compareAndSetState(0, 1)) { ? ? // CAS 更新狀態(tài)為加鎖狀態(tài) 1
? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(current); // 設(shè)置當前持有的線程
? ? ? ? ? ? ? ?return true; // 獲取鎖成功，return true
? ? ? ? ? }
? ? ? } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) { // 如果當前持有鎖的線程是當前線程
? ? ? ? ? ?if (++c < 0) // overflow // c 即是狀態(tài)也是計數(shù)器，可重入計數(shù) + 1
? ? ? ? ? ? ? ?throw new Error("Maximum lock count exceeded");
? ? ? ? ? ?setState(c); // 更新狀態(tài)
? ? ? ? ? ?return true; // 重入成功，return true
? ? ? }
? ? ? ?return false; // 嘗試獲取鎖失敗。
? }為什么說它是不公平的，因為這個方法沒有按照公平等待原則，讓等待時間最久的線程優(yōu)先獲取鎖資源。
initialTryLock
這是一個抽象方法，用來在 lock 前執(zhí)行初始化工作。
lock
? ?@ReservedStackAccess
? ?final void lock() {
? ? ? ?if (!initialTryLock())
? ? ? ? ? ?acquire(1);
? }先根據(jù) initialTryLock() 進行判斷，然后調(diào)用 acquire(1) ，acquire 方法在 AQS 中：
? ?public final void acquire(int arg) {
? ? ? ?if (!tryAcquire(arg))
? ? ? ? ? ?acquire(null, arg, false, false, false, 0L);
? }這個方法會讓當前線程去嘗試獲取鎖資源，并忽略中斷。通過調(diào)用 tryAcquire 至少一次來實現(xiàn)，如果失敗，則去等待隊列排隊，可能會導(dǎo)致阻塞。
lockInterruptibly
? ?@ReservedStackAccess
? ?final void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
? ? ? ?if (Thread.interrupted())
? ? ? ? ? ?throw new InterruptedException();
? ? ? ?if (!initialTryLock())
? ? ? ? ? ?acquireInterruptibly(1);
? }這個方法相當于在 lock 方法前首先進行了線程中斷檢查，如果沒有被中斷，也是通過 initialTryLock() 判斷是否需要執(zhí)行嘗試獲取鎖的操作。與 lock 方法不同，這里調(diào)用的是 (1)：
public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
? ?if (Thread.interrupted() || (!tryAcquire(arg) && acquire(null, arg, false, true, false, 0L) < 0))
? ? ? ?throw new InterruptedException();
}對線程中斷進行了檢查，如果線程被中斷則中止當前操作，至少調(diào)用 1 次 tryAcquire 嘗試去獲取鎖資源。否則線程去隊列排隊，此方法可能會導(dǎo)致阻塞，直到調(diào)用 tryAcquire 成功或線程被中斷。
tryLockNanos
? ? ? ?final boolean tryLockNanos(long nanos) throws InterruptedException {
? ? ? ? ? ?if (Thread.interrupted())
? ? ? ? ? ? ? ?throw new InterruptedException();
? ? ? ? ? ?return initialTryLock() || tryAcquireNanos(1, nanos);
? ? ? } ? ?public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
? ? ? ?throws InterruptedException {
? ? ? ?if (!Thread.interrupted()) {
? ? ? ? ? ?if (tryAcquire(arg))
? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? ?if (nanosTimeout <= 0L)
? ? ? ? ? ? ? ?return false;
? ? ? ? ? ?int stat = acquire(null, arg, false, true, true,
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? System.nanoTime() + nanosTimeout); // 多了一個超時時間
? ? ? ? ? ?if (stat > 0)
? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? ?if (stat == 0)
? ? ? ? ? ? ? ?return false;
? ? ? }
? ? ? ?throw new InterruptedException();
? }本質(zhì)上調(diào)用 acquire ，多設(shè)置了一個 time 參數(shù)。
tryRelease
? ? ? ?@ReservedStackAccess
? ? ? ?protected final boolean tryRelease(int releases) {
? ? ? ? ? ?int c = getState() - releases;
? ? ? ? ? ?if (getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread())
? ? ? ? ? ? ? ?throw new IllegalMonitorStateException();
? ? ? ? ? ?boolean free = (c == 0); // c = 0 說明成功釋放鎖資源
? ? ? ? ? ?if (free)
? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(null);
? ? ? ? ? ?setState(c);
? ? ? ? ? ?return free;
? ? ? }可以看出，tryRelease 方法最終更新了 State ，進一步說明了 AQS 的實現(xiàn)，本質(zhì)上都是通過原子 int 來表示同步狀態(tài)的。
newCondition
? ?final ConditionObject newCondition() {
? ? ? ?return new ConditionObject();
? }這里的 newCondition 返回的是 AQS 的內(nèi)部類 ConditionObject 的實例。
Sync 中的方法與其含義：
NonfairSync 非公平鎖
? ?static final class NonfairSync extends Sync {
? ? ? ?final boolean initialTryLock() {
? ? ? ? ? ?Thread current = Thread.currentThread();
? ? ? ? ? ?if (compareAndSetState(0, 1)) { // 比較并設(shè)置狀態(tài)成功，狀態(tài)0表示鎖沒有被占用
? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(current); // 設(shè)置當前線程為持有鎖的線程
? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) { // 重入情況
? ? ? ? ? ? ? ?int c = getState() + 1;
? ? ? ? ? ? ? ?if (c < 0) // overflow
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?throw new Error("Maximum lock count exceeded");
? ? ? ? ? ? ? ?setState(c);
? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? } else
? ? ? ? ? ? ? ?return false;
? ? ? }
?
? ? ? ?protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
? ? ? ? ? ?if (getState() == 0 && compareAndSetState(0, acquires)) {
? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ?return false;
? ? ? }
? }NonfairSync 實現(xiàn)了 initialTryLock() ，其中主要是為當前對象設(shè)置持有線程；如果是重入的情況，則 state 計數(shù) + 1 。這個方法中的邏輯和 tryLock 方法十分相似，他們都是不公平的。每次嘗試獲取鎖，都不是按照公平等待的原則，讓等待時間最久的線程獲得鎖，所以這是不公平鎖。
FairSync
? ?static final class FairSync extends Sync {
? ? ? ?private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
? ? ? ?/**
? ? ? ? * 僅在可重入或隊列為空時獲取。
? ? ? ? */
? ? ? ?final boolean initialTryLock() {
? ? ? ? ? ?Thread current = Thread.currentThread();
? ? ? ? ? ?int c = getState();
? ? ? ? ? ?if (c == 0) { // 鎖處于可用狀態(tài)
? ? ? ? ? ? ? ?if (!hasQueuedThreads() && compareAndSetState(0, 1)) { // 查詢是否有線程正在等待獲取此鎖
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(current);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) {
? ? ? ? ? ? ? ?if (++c < 0) // overflow
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?throw new Error("Maximum lock count exceeded");
? ? ? ? ? ? ? ?setState(c);
? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ?return false;
? ? ? }
? ? ? ?/**
? ? ? ? * 僅當線程是隊列頭節(jié)點或為空時獲取。
? ? ? ? */
? ? ? ?protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
? ? ? ? ? ?if (getState() == 0 && !hasQueuedPredecessors() &&
? ? ? ? ? ? ? ?compareAndSetState(0, acquires)) {
? ? ? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
? ? ? ? ? ? ? ?return true;
? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ?return false;
? ? ? }
? }公平鎖依賴兩個判斷條件實現(xiàn)：
hasQueuedThreads用來查詢是否有其他線程正在等待獲取此鎖。hasQueuedPredecessors是用來查詢是否有其他線程比當前線程等待的時間更長。
當存在其他線程等待時間更久時，當前線程的 tryAcquire 會直接返回 false 。
構(gòu)造函數(shù)
ReentrantLock 有兩個構(gòu)造函數(shù)：
? ?public ReentrantLock() {
? ? ? ?sync = new NonfairSync();
? }?
? ?public ReentrantLock(boolean fair) {
? ? ? ?sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
? }其中一個帶有 boolean 參數(shù)的構(gòu)造方法，用來根據(jù)參數(shù) fair 實現(xiàn)公平鎖或非公平鎖，無參構(gòu)造方法默認實現(xiàn)是非公平鎖。
核心屬性和方法
private final Sync sync;
從構(gòu)造方法中就可以看出，ReentrantLock 的 sync 屬性，代表了鎖的策略（公平 or 非公平）。
sync 是一個 Sync 類型的對象，繼承自 AQS ，ReentrantLock 對外暴露的方法，內(nèi)部實際上就是調(diào)用 Sync 對應(yīng)的方法實現(xiàn)的：
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
// ...
? ?public void lock() {
? ? ? ?sync.lock();
? }
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
? ? ? ?sync.lockInterruptibly();
? }
? ?
? ?public boolean tryLock() {
? ? ? ?return sync.tryLock();
? }
? ?
? ?public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
? ? ? ?return sync.tryLockNanos(unit.toNanos(timeout));
? }
? ?
? ?public void unlock() {
? ? ? ?sync.release(1);
? }
? ?
? ?public Condition newCondition() {
? ? ? ?return sync.newCondition();
? }
? ?
? ?public int getHoldCount() {
? ? ? ?return sync.getHoldCount();
? }
? ?
? ?public boolean isHeldByCurrentThread() {
? ? ? ?return sync.isHeldExclusively();
? }
? ?
? ?public boolean isLocked() {
? ? ? ?return sync.isLocked();
? }
? ?
? ?public final boolean isFair() {
? ? ? ?return sync instanceof FairSync;
? }
? ?
? ?protected Thread getOwner() {
? ? ? ?return sync.getOwner();
? }
? ?// ...
}ReentrantLock 看起來就像是 Sync 的代理類，當調(diào)用 ReentrantLock 對外暴露的方法時，會根據(jù) sync 對象的不同的類型調(diào)用不同的實現(xiàn) 。
比如，下圖就是一個公平鎖的調(diào)用過程：
ReentrantLock.lock -> FairSync.lock -> AQS.acquire -> FairSync.tryAcquire -> AQS.hasQueuedPredecessors -> AQS.setExclusiveOwnerThread
總結(jié)
ReentrantLock 實現(xiàn)了 Lock 接口，有三個內(nèi)部類，其中 Sync 繼承自 AQS ，而后兩者繼承自 Sync ，它們都繼承了 AQS 的能力。本質(zhì)上來說 ReentrantLock 的底層原理就是 AQS 。
在 Sync 的兩個子類 FairSync 和 NonfairSync 分別是公平鎖策略和非公平鎖策略的實現(xiàn)，它們通過實現(xiàn)initialTryLock()方法中不同的邏輯（公平鎖多了一個檢查是否有其他等待線程的條件）。然后實現(xiàn)了不同的 tryAcquire(int acquires) ，從而在線程嘗試獲取鎖時，執(zhí)行不同的策略。
到此這篇關(guān)于Java 多線程并發(fā)ReentrantLock的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java ReentrantLock內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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