Java中的ReentrantLock锁

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
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

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

package javabasis.threads;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest implements Runnable {
    
	public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//创建锁对象
	private int thold;
    
	public LockTest(int h) {
		this.thold = h;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 10; i < 15; i++) {
			new Thread(new LockTest(i),"name-" + i).start();
		}
	}

	@Override
	public void run() {
		try {
			Thread.sleep(100);
			lock.lock(); //获取锁
			System.out.println("lock threadName:" + Thread.currentThread().getName());
			{
				System.out.print(" writeStart ");
				for (int i = 0; i < 15; i++) {
						Thread.sleep(100);
					System.out.print(thold+",");
				}
				System.out.println(" writeEnd");
			}
			System.out.println("unlock threadName:" + Thread.currentThread().getName() + "\r\n");
			lock.unlock(); //锁释放 
		} catch (InterruptedException e) {	
		}		
	}	
}

运行main方法输出结果:

lock threadName:name-10
 writeStart 10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10, writeEnd
unlock threadName:name-10

lock threadName:name-14
 writeStart 14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14, writeEnd
unlock threadName:name-14

lock threadName:name-13
 writeStart 13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13, writeEnd
unlock threadName:name-13

lock threadName:name-11
 writeStart 11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11, writeEnd
unlock threadName:name-11

lock threadName:name-12
 writeStart 12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12, writeEnd
unlock threadName:name-12

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 12,13,13,10,10,10,12,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:

lock threadName:name-11
lock threadName:name-12
 writeStart lock threadName:name-10
 writeStart lock threadName:name-13
 writeStart lock threadName:name-14
 writeStart  writeStart 14,12,10,11,13,11,12,14,10,13,10,13,14,12,11,10,14,12,11,13,14,11,13,12,10,13,10,12,14,11,11,13,10,12,14,14,10,12,11,13,11,14,13,12,10,14,10,11,13,12,14,12,11,13,10,14,10,11,12,13,12,14,11,13,10,11,10,14,13,12,11, writeEnd
unlock threadName:name-11

13,12, writeEnd
unlock threadName:name-12

 writeEnd
unlock threadName:name-13

14, writeEnd
unlock threadName:name-14

10, writeEnd
unlock threadName:name-10

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

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

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