【java并发】juc高级锁机制探讨

2023年7月3日 244次阅读 来源: JUC

最近在看一些juc相关的设计和源码，接上文：【java并发】基于JUC CAS原理,自己实现简单独占锁

本文探讨一下juc里面提供的一些高级锁机制和基本原理。

 

JUC高级锁机制简介

Juc提供了高级锁的一些特性和应用，如：

ReentrantLock：和synchronized具有差不多的语义，独占锁，同时只有一个线程能获得锁。

ReentrantReadWriteLock：读写锁。读允许共享，写独占。适用于读频繁的场景。

CountDownLatch:闭锁。使用场景类似比赛鸣枪，在没有鸣枪之前所有的运动员(线程)都必须等待。说白了就是使用于一个或多个线程等待某一个条件成立了，触发运行。

Semaphore：信号量。使用场景类似通行证，通行证数量有限，拿到证的才能通行。

CyclicBarrier:周期障碍。语义上和CountDownLatch有点类似，只有几个线程打到一个共同的状态之后，触发后续动作继续。不同在于1.达到共同状态后，可以指定一个后续触发的线程对象。2.周期性意味着可以周期运行。

FutureTask：带有返回值的异步执行。

至于各种锁机制使用场景这里不赘述，后面还有机会加一些例子。

以上不同的锁机制和使用场景，不管我们我们叫锁、闭锁、信号量等等。抽象之后都有一种共同的语义：

多线程并发的执行，之间通过某种共享状态来同步，只有当状态满足xxxx条件，才能触发线程执行xxxx。

这个共同的语义可以称之为同步器。可以认为以上所有的锁机制都可以基于同步器定制来实现的。

如果要实现一个特定场景的锁来同步线程的执行，其实并不难，如上文【java并发】基于JUC CAS原理,自己实现简单独占锁。而juc里的思想是将这些场景抽象出来的语义通过统一的同步框架来支持。

juc里所有的这些锁机制都是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架上构建的。下面简单介绍下AQS（AbstractQueuedSynchronizer）。 可以参考Doug Lea的论文The java.util.concurrent Synchronizer Framework

 

AQS框架 

AbstractQueuedSynchronizer是一个抽象类，里面定义了同步器的基本框架，实现了基本的结构功能。只留有状态条件的维护由具体同步器根据具体场景来定制，如上面提到的ReentrantLock、RetrantReadWriteLock和CountDownLatch等等。

一个同步器至少需要包含两个功能：

1.      获取同步状态

如果允许，则获取锁，如果不允许就阻塞线程，直到同步状态允许获取。

2.      释放同步状态

修改同步状态，并且唤醒等待线程。

根据作者论文，aqs同步机制同时考虑了如下需求：

1.      独占锁和共享锁两种机制。

2.      线程阻塞后，如果需要取消，需要支持中断。

3.      线程阻塞后，如果有超时要求，应该支持超时后中断的机制。

 

实现涉及基本技术原理 

1.      状态位  

提供volatile变量 state;  用于同步线程之间的共享状态。通过CAS和volatile保证其原子性和可见性。对应源码里的定义：

Java代码  

  1. /** 
  2.  * 同步状态 
  3.  */  
  4. private volatile int state;  
  5.   
  6. /** 
  7.  *cas 
  8.  */  
  9. protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {  
  10.     // See below for intrinsics setup to support this  
  11.     return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);  
  12. }  

 

2.      线程阻塞和唤醒

有别于wait和notiry。这里利用jdk1.5开始提供的LockSupport.park()和LockSupport.unpark()的本地方法实现，实现线程的阻塞和唤醒。

3.      阻塞线程节点队列 CHL Node queue。

根据论文里描述，AQS里将阻塞线程封装到一个内部类Node里。并维护一个CHL Node FIFO队列。CHL队列是一个非阻塞的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。实现无锁且快速的插入。关于非阻塞算法可以参考  Java 理论与实践: 非阻塞算法简介。CHL队列对应代码如下：

 

Java代码  

  1.  /** 
  2.  * CHL头节点 
  3.  */   
  4. rivate transient volatile Node head;  
  5. /** 
  6.  * CHL尾节点 
  7.  */  
  8. private transient volatile Node tail;  

 Node节点是对Thread的一个封装，结构大概如下：

Java代码  

  1. static final class Node {  
  2.     /** 代表线程已经被取消*/  
  3.     static final int CANCELLED =  1;  
  4.     /** 代表后续节点需要唤醒 */  
  5.     static final int SIGNAL    = -1;  
  6.     /** 代表线程在等待某一条件/ 
  7.     static final int CONDITION = -2; 
  8.     /** 标记是共享模式*/  
  9.     static final Node SHARED = new Node();  
  10.     /** 标记是独占模式*/  
  11.     static final Node EXCLUSIVE = null;  
  12.   
  13.     /** 
  14.      * 状态位 ，分别可以使CANCELLED、SINGNAL、CONDITION、0 
  15.      */  
  16.     volatile int waitStatus;  
  17.   
  18.     /** 
  19.      * 前置节点 
  20.      */  
  21.     volatile Node prev;  
  22.   
  23.     /** 
  24.      * 后续节点 
  25.      */  
  26.     volatile Node next;  
  27.   
  28.     /** 
  29.      * 节点代表的线程 
  30.      */  
  31.     volatile Thread thread;  
  32.   
  33.     /** 
  34.      *连接到等待condition的下一个节点 
  35.      */  
  36.     Node nextWaiter;  
  37.   
  38. }  

 

 

 

AQS源码

 

AQS实现了一个同步器的基本结构，下面以独占锁和非独占锁区分来看看AQS的几个主要方法：

独占模式

独占获取：tryAcquire本身不会阻塞线程，如果返回true成功就继续，如果返回false那么就阻塞线程并加入阻塞队列。

 

Java代码  

  1.     public final void acquire(int arg) {  
  2.   
  3.         if (!tryAcquire(arg) &&  
  4.   
  5.             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//获取失败，则加入等待队列  
  6.   
  7.             selfInterrupt();  
  8.   
  9. }   

 

 

独占且可中断模式获取：支持中断取消

Java代码  

  1. public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {  
  2.   
  3.         if (Thread.interrupted())  
  4.             throw new InterruptedException();  
  5.         if (!tryAcquire(arg))  
  6.   
  7.             doAcquireInterruptibly(arg);  
  8.   
  9.     }   

 

独占且支持超时模式获取：带有超时时间，如果经过超时时间则会退出。

 

Java代码  

  1. public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {  
  2.   
  3.      if (Thread.interrupted())  
  4.   
  5.          throw new InterruptedException();  
  6.   
  7.      return tryAcquire(arg) ||  
  8.   
  9.          doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);  

 

 

独占模式释放：释放成功会唤醒后续节点

Java代码  

  1. public final boolean release(int arg) {  
  2.     if (tryRelease(arg)) {  
  3.         Node h = head;  
  4.         if (h != null && h.waitStatus != 0)  
  5.             unparkSuccessor(h);  
  6.         return true;  
  7.     }  
  8.     return false;  
  9. }  

 

共享模式

 

共享模式获取

 

Java代码  

  1. public final void acquireShared(int arg) {  
  2.   
  3.     if (tryAcquireShared(arg) < 0)  
  4.   
  5.         doAcquireShared(arg);  

 

 可中断模式共享获取

  

Java代码  

  1. public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {  
  2.         if (Thread.interrupted())  
  3.             throw new InterruptedException();  
  4.         if (tryAcquireShared(arg) < 0)  
  5.             doAcquireSharedInterruptibly(arg);  
  6.     }   

  

共享模式带定时获取

 

Java代码  

  1. public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {  
  2.      if (Thread.interrupted())  
  3.          throw new InterruptedException();  
  4.      return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||  
  5.          doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);  
  6. }   

 

共享锁释放

  

Java代码  

  1. public final boolean releaseShared(int arg) {  
  2.         if (tryReleaseShared(arg)) {  
  3.             doReleaseShared();  
  4.             return true;  
  5.         }  
  6.         return false;  
  7.     }   

 

 

 

注意以上框架只定义了一个同步器的基本结构框架，的基本方法里依赖的tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared 、tryReleaseShared四个方法在AQS里没有实现，这四个方法不会涉及线程阻塞，而是由各自不同的使用场景根据情况来定制:

 

 

Java代码  

  1. protected boolean tryAcquire(int arg) {  
  2.     throw new UnsupportedOperationException();  
  3. }  
  4. protected boolean tryRelease(int arg) {  
  5.     throw new UnsupportedOperationException();  
  6. }  
  7. protected int tryAcquireShared(int arg) {  
  8.     throw new UnsupportedOperationException();  
  9.   
  10. }  
  11. protected boolean tryReleaseShared(int arg) {  
  12.     throw new UnsupportedOperationException();  
  13. }  

 

从以上源码可以看出AQS实现基本的功能：

AQS虽然实现了acquire，和release方法是可能阻塞的，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的且是不阻塞的可。以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现。所以可以认为同步器实现了一下功能：

1.同步器基本范式、结构

2.状态获取、释放成功或失败的后续行为，如线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

 

状态获取、释放动作本身是由子类来定义的。

 

 

还有以下一些私有方法，用于辅助完成以上的功能：

final boolean acquireQueued(final Nodenode, int arg) ：申请队列

private Node enq(final Node node) :入队

private Node addWaiter(Node mode) ：以mode创建创建节点，并加入到队列

private void unparkSuccessor(Node node) ： 唤醒节点的后续节点，如果存在的话。

private void doReleaseShared() ：释放共享锁

private void setHeadAndPropagate(Node node,int propagate)：设置头，并且如果是共享模式且propagate大于0，则唤醒后续节点。

private void cancelAcquire(Node node) ：取消正在获取的节点

private static void selfInterrupt()：自我中断

private final booleanparkAndCheckInterrupt() ：park并判断线程是否中断

 

从源码可以看出AQS实现基本的功能：

1.同步器基本范式、结构

2.线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

 

AQS虽然实现了acquire，和release方法，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的。可以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现。

 

ReentrantLock原理

有了AQS基础，下面来看ReentrantLock的基本原理：

ReentrantLock原理

由于同步器里已经定义了基本的结构，包括获取、释放、和阻塞队列维护和管理等。ReentrantLock是一个独占互斥锁，里只需要实现TryAcquire、TryRelease等方法，告诉同步器是否获取和释放状态成功。其他的后续行为都由AQS框架完成。由于ReentrantLock是一个可重入的独占锁，所以同步器状态可以直接根据是否==0来判断是否可用。

ReentrantLock主要提供lock和unlcok两个方法。

而lock和unlock正是基于AQS的一个子类同步器来实现。里面sync同步器有两种实现，一种是公平锁，一种是非公平锁。默认是非公平锁，看看非公平锁实现tryAcquire

Java代码  

  1. final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {  
  2.  final Thread current = Thread.currentThread();  
  3.  int c = getState();  
  4.  if (c == 0) {//如果状态位为0，那么尝试获取  
  5.      if (compareAndSetState(0, acquires)) {//基于CAS获取和修改状态  
  6.          setExclusiveOwnerThread(current);//成功则设置当前线程为独占执行线程  
  7.          return true;  
  8.      }  
  9.  }  
  10.  else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//当前线程已是执行线程  
  11.      int nextc = c + acquires;//累加  
  12.      if (nextc < 0) // overflow  
  13.          throw new Error(“Maximum lock count exceeded”);  
  14.      setState(nextc);  
  15.      return true;  
  16.  }  
  17.  return false;//其他情况下代表获取失败  

 

再看看公平锁的tryAcquire

 

 

Java代码  

  1.     protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  
  2.     final Thread current = Thread.currentThread();  
  3.     int c = getState();  
  4.     if (c == 0) {  
  5.         if (isFirst(current) &&  
  6.             compareAndSetState(0, acquires)) {//判断是否是第一个线程，是的话才尝试获取锁  
  7.             setExclusiveOwnerThread(current);  
  8.             return true;  
  9.         }  
  10.     }  
  11.     else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {  
  12.         int nextc = c + acquires;  
  13.         if (nextc < 0)  
  14.             throw new Error(“Maximum lock count exceeded”);  
  15.         setState(nextc);  
  16.         return true;  
  17.     }  
  18.     return false;  
  19. }  

 可以看看 非公平锁的不会根据FIFO，而公平锁会判断是否是第一个线程，根据FIFO来执行。

    原文作者：JUC
    原文地址: https://blog.csdn.net/questiontoomuch/article/details/46906985
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
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