【转载】ReentrantLock
ReentrantLock锁
ReentrantLock是Java中常用的锁,属于乐观锁类型,多线程并发情况下。能保证共享数据安全性,线程间有序性
(相比下,synchronized属于悲观锁)
ReentrantLock通过原子操作和阻塞实现锁原理,一般使用lock获取锁,unlock释放锁,
下面说一下锁的基本使用和底层基本实现原理,lock和unlock底层
lock的时候可能被其他线程获得所,那么此线程会阻塞自己,关键原理底层用到Unsafe类的API: CAS和park
使用#
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock类
在多线程环境下使用,创建锁对象,调用lock()获取锁开始处理逻辑,处理完unlock()释放锁。注意使用的时候lock和unlock必须成对出现,不然可能出现死锁或者严重堵塞的情况
unlock#
//创建锁对象 ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); lock.lock(); //获取锁(锁定) System.out.println("一段需要上锁的代码") lock.unlock(); //锁释放
执行完代码后,释放锁,让其他线程去获取,需要注意的是,多个线程使用的锁对象必须是同一个。
什么情况需要上锁,就是在多线程不安全的情况下,多个线程操作同一个对象。 如多个线程同时操作一个队列,offer()添加对象,两个线程同时offer,因为不是原子操作,很可能一个线程添加成功,另一个线程添加失败,延伸到一些业务中是要杜绝的问题。 可以用锁解决问题,我们可以定义一个队列同一时间只能被一个拿到锁的线程操作,即保证offer这种非原子操作完成后,释放锁,再让其他线程拿到锁后,才能offer,保证有序的offer,不会丢失信息。
示例#
为了体现锁的作用,这里sleep睡眠0.1秒,增加哪个线程获取锁的随机性
因为线程唤醒后,会开始尝试获取锁,多个线程下竞争一把锁是随机的
import lombok.SneakyThrows; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** * @version V1.0 * @功能描述: * @名称: com.sephy.test.thread.ReentrantLockTest * @作者 Sephy * @创建时间 2021-10-11 10:44 */ public class ReentrantLockTest extends Thread { private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private int tid; public static void main(String[] args) { for(int i=0; i < 5; i ++){ ReentrantLockTest test = new ReentrantLockTest(i); test.start(); } } public ReentrantLockTest(){ } public ReentrantLockTest(int tid){ this.tid = tid; } @SneakyThrows public void run(){ lock.lock(); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":lock+++"); for(int i=0; i < 15; i ++){ System.out.print(this.tid); } Thread.sleep(1000L); System.out.println(); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":unlock---"); lock.unlock(); } }
运行main方法输出结果:
Thread-0:lock+++ 000000000000000 Thread-0:unlock--- Thread-1:lock+++ 111111111111111 Thread-1:unlock--- Thread-4:lock+++ 444444444444444 Thread-4:unlock--- Thread-2:lock+++ 222222222222222 Thread-2:unlock--- Thread-3:lock+++ 333333333333333 Thread-3:unlock---
这体现在多线程情况下,锁能做到让线程之间有序运行,
如果没有锁,情况可能是 001100330444333,没有锁其他线程可能插队执行System.out.print
将上锁的代码注释后输出结果:
Thread-0:lock+++ Thread-3:lock+++ 33300Thread-2:lock+++ 222222222222222Thread-4:lock+++ 44444Thread-1:lock+++ 11100000000000004444444444333333333313311111111111 Thread-4:unlock--- Thread-0:unlock--- Thread-1:unlock--- Thread-3:unlock--- Thread-2:unlock---
原理#
ReentrantLock主要用到unsafe的CAS和park两个功能实现锁(CAS + park )
多个线程同时操作一个数N,使用原子(CAS)操作,原子操作能保证同一时间只能被一个线程修改,而修改数N成功后,返回true,其他线程修改失败,返回false,
这个原子操作可以定义线程是否拿到锁,返回true代表获取锁,返回false代表为没有拿到锁。
拿到锁的线程,自然是继续执行后续逻辑代码,而没有拿到锁的线程,则调用park,将线程(自己)阻塞。
线程阻塞需要其他线程唤醒,ReentrantLock中用到了链表用于存放等待或者阻塞的线程,每次线程阻塞,先将自己的线程信息放入链表尾部,再阻塞自己;之后需要拿到锁的线程,在调用unlock 释放锁时,从链表中获取阻塞线程,调用unpark 唤醒指定线程
Unsafe#
sun.misc.Unsafe是关键类,提供大量偏底层的API 包括CAS park
sun.misc.Unsafe 此类在openjdk中可以查看
CAS 原子操作#
compare and swapz(CAS)比较并交换,是原子性操作,
原理:当修改一个(内存中的)变量o的值N的时候,首先有个期望值expected,和一个更新值x,先比较N是否等于expected,等于,那么更新内存中的值为x值,否则不更新。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
这里offset据了解,是对象的成员变量在内存中的偏移地址,
即底层一个对象object存放在内存中,读取的地址是0x2110,此对象的一个成员变量state的值也在内存中,但内存地址肯定不是0x2110
java中的CAS使用#
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 类
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); private static final long stateOffset; static { try { stateOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state")); //获取成员变量state在内存中的偏移量 } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); }
在Java中,compareAndSetState这个操作如果更新成功,返回true,失败返回false,通过这个机制,可以定义锁(乐观锁)。
如三个线程A,B,C,在目标值为0的情况下,同时执行compareAndSetState(0,1) 去修改它
期望值是0,更新值是1,因为是原子操作,在第一个线程操作成功之后目标值变为1,返回true
所以另外两个线程就因为期望值为0不等于1,返回false。
我们可以理解为,返回true的线程拿到了锁。
最终调用的Java类是sun.misc.Unsafe
park 阻塞#
Java中可以通过unsafe.park()去阻塞(停止)一个线程,也可以通过unsafe.unpark()让一个阻塞线程恢复继续执行
unsafe.park()#
阻塞(停止)当前线程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
根据debug测试,此方法能停止线程自己,最后通过其他线程唤醒
unsafe.unpark()#
取消阻塞(唤醒)线程
public native void unpark(Object thread);
根据debug测试,此方法可以唤醒其他被park调用阻塞的线程
park与interrupt的区别#
interrupt是Thread类的的API,park是Unsafe类的API,两者是有区别的。
测试了解,Thread.currentThread().interrupt(),线程会继续运行,而Unsafe.park(Thread.currentThread())就是直接阻塞线程,不继续运行代码。
获取锁#
线程cas操作失败,可以park阻塞自己,让其他拥有锁的线程在unlock的时候释放自己,达到锁的效果
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock的lock方法是
public void lock() { sync.lock(); }
而sync的实现类其中一个是java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync 不公平锁,它的逻辑比较直接
/** NonfairSync */ final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1))//cas操作,如果true 则表示操作成功,获取锁 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); //设置获取锁拥有者为当前线程 else acquire(1);//获取锁失败,锁住线程(自己) }
获取失败后阻塞线程#
如果获取锁失败,会再尝试一次,失败后,将线程(自己)阻塞
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { //如果期望值为0,内存值也为0,再次尝试获取锁(此时其他线程也可能尝试获取锁) if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); //第二次获取成功,放回true 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; //没有获取到锁,返回false,则 !tryAcquire(arg) 为true,执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) }
获取锁失败,线程会进入循环,acquireQueued 方法中for是个无限循环,除非获取锁成功后,才会return。
//获取锁失败后,准备阻塞线程(自己) //阻塞之前,添加节点存放到链表,其他线程可以通过这个链表唤醒此线程 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)) {//cas操作 pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; } // 在此方法直到获取锁成功才会跳出循环 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; //获取锁成功之后才会return跳出此方法 } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //如果满足阻塞条件 parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this);//停止线程(自己) return Thread.interrupted(); }
释放锁#
一个线程拿到锁之后,执行完关键代码,必须unlock释放锁的,否则其他线程永远拿不到锁
public void unlock() { sync.release(1); } public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } //java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync 的tryRelease protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; //这里一般是 1 - 1 = 0 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //只能是锁的拥有者释放锁 throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); //设置state为0,相当于释放锁,让其他线程compareAndSetState(0, 1)可能成功 return free; } protected final void setState(int newState) { state = newState; //没有cas操作 }
setState不做cas操作是因为,只有拥有锁的线程才调用unlock,不存才并发混乱问题
其他线程没拿到锁不会设值成功,其他线程在此线程设置state为0之前,compareAndSetState(0, 1)都会失败,拿不到锁,此线程设置state为0之后,其他线程compareAndSetState(0, 1)才有可能成功,返回true从而拿到锁
释放线程#
线程在获取锁失败后,有可能阻塞线程(自己),在阻塞之前把阻塞线程信息放入链表的
释放锁之后,线程会尝试通过链表释放其他线程(一个),让一个阻塞线程恢复运行
private void unparkSuccessor(Node node) { int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 循环获取前面的节点 if (t.waitStatus <= 0) s = t; //循环,找到链表最前面需要被唤醒的线程 } if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); //唤醒(释放)被阻塞的线程 }
阻塞线程被取消阻塞后如何拿到锁(ReentrantLock中)#
有时候线程被中断后,唤醒继续执行后面的代码,
线程没有拿到锁之后主动阻塞自己的,但所还没拿到,被唤醒之后怎么去尝试重新获取锁呢? 里面有一个for循环
final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//拿到锁 else acquire(1); //没有拿到锁 } // 上锁失败,会添加一个节点,节点包含线程信息,将此节点放入队列 public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } // 存好节点后,将线程(自己)中断,等其他线程唤醒(自己) final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) {//循环 被唤醒后线程还是在此处循环 final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) {//尝试获取锁 setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; //如果拿到锁了,才会return } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) //没拿到锁时,主动中断Thread.currentThread() interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
被唤醒后继续执行compareAndSetState(0, 1)返回false没拿到锁,则继续循环或阻塞
compareAndSetState(0, 1) 这个操作是获取锁的关键