當多個線程需要訪問某個公共資源的時候,我們知道需要通過加鎖來保證資源的訪問不會出問題。java提供了兩種方式來加鎖,一種是關鍵字:synchronized,一種是concurrent包下的lock鎖。synchronized是java底層支持的,而concurrent包則是jdk實現。關於synchronized的原理可以閱讀再有人問你synchronized是什麼,就把這篇文章發給他。
在這裏,我會用盡可能少的代碼,儘可能輕鬆的文字,儘可能多的圖來看看lock的原理。
我們以ReentrantLock爲例做分析,其他原理類似。
我把這個過程比喻成一個做菜的過程,有什麼菜,做法如何?
我先列出lock實現過程中的幾個關鍵詞:計數值、雙向鏈表、CAS+自旋
使用例子
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class App {
public static void main(String[] args) throws Exception {
final int[] counter = {0};
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
for (int i= 0; i < 50; i++){
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
lock.lock();
try {
int a = counter[0];
counter[0] = a + 1;
}finally {
lock.unlock();
}
}
}).start();
}
// 主線程休眠,等待結果
Thread.sleep(5000);
System.out.println(counter[0]);
}
}
在這個例子中,開50個線程同時更新counter。分成三塊來看看源碼(初始化、獲取鎖、釋放鎖)
實現原理
ReentrantLock() 幹了啥
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
* This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
在lock的構造函數中,定義了一個NonFairSync,
static final class NonfairSync extends Sync
NonfairSync 又是繼承於Sync
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
一步一步往上找,找到了
這個鬼AbstractQueuedSynchronizer(簡稱AQS),最後這個鬼,又是繼承於AbstractOwnableSynchronizer(AOS),AOS主要是保存獲取當前鎖的線程對象,代碼不多不再展開。
最後我們可以看到幾個主要類的繼承關係。
鎖的類的繼承關係.jpg
FairSync 與 NonfairSync的區別在於,是不是保證獲取鎖的公平性,因爲默認是NonfairSync,我們以這個爲例瞭解其背後的原理。
其他幾個類代碼不多,最後的主要代碼都是在AQS中,我們先看看這個類的主體結構。
AbstractQueuedSynchronizer是個什麼
再看看Node是什麼?
看到這裏的同學,是不是有種熱淚盈眶的感覺,這尼瑪,不就是雙向鏈表麼?我還記得第一次寫這個數據結構的時候,發現居然還有這麼神奇的一個東西。
最後我們可以發現鎖的存儲結構就兩個東西:"雙向鏈表" + "int類型狀態"。
需要注意的是,他們的變量都被"transient
和volatile
修飾。
一個int值,一個雙向鏈表是如何烹飪處理鎖這道菜的呢,Doug Lea大神就是大神,我們接下來看看,如何獲取鎖?
lock.lock()怎麼獲取鎖?
/**
* Acquires the lock.
*/
public void lock() {
sync.lock();
}
可以看到調用的是,NonfairSync.lock()
看到這裏,我們基本有了一個大概的瞭解,還記得之前AQS中的int類型的state值,這裏就是通過CAS(樂觀鎖)去修改state的值。lock的基本操作還是通過樂觀鎖來實現的。
獲取鎖通過CAS,那麼沒有獲取到鎖,等待獲取鎖是如何實現的?我們可以看一下else分支的邏輯,acquire方法:
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
這裏幹了三件事情:
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tryAcquire:會嘗試再次通過CAS獲取一次鎖。
-
addWaiter:將當前線程加入上面鎖的雙向鏈表(等待隊列)中
-
acquireQueued:通過自旋,判斷當前隊列節點是否可以獲取鎖。
addWaiter 添加當前線程到等待鏈表中
可以看到,通過CAS確保能夠在線程安全的情況下,將當前線程加入到鏈表的尾部。
enq是個自旋+上述邏輯,有興趣的可以翻翻源碼。
acquireQueued
自旋+CAS嘗試獲取鎖
可以看到,噹噹前線程到頭部的時候,嘗試CAS更新鎖狀態,如果更新成功表示該等待線程獲取成功。從頭部移除。
每一個線程都在自旋+CAS
最後簡要概括一下,獲取鎖的一個流程
獲取鎖流程.jpg
lock.unlock() 釋放鎖
public void unlock() {
sync.release(1);
}
可以看到調用的是,NonfairSync.release()
image.png
最後有調用了NonfairSync.tryRelease()
image.png
基本可以確認,釋放鎖就是對AQS中的狀態值State進行修改。同時更新下一個鏈表中的線程等待節點。
總結
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lock的存儲結構:一個int類型狀態值(用於鎖的狀態變更),一個雙向鏈表(用於存儲等待中的線程)
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lock獲取鎖的過程:本質上是通過CAS來獲取狀態值修改,如果當場沒獲取到,會將該線程放在線程等待鏈表中。
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lock釋放鎖的過程:修改狀態值,調整等待鏈表。
-
可以看到在整個實現過程中,lock大量使用CAS+自旋。因此根據CAS特性,lock建議使用在低鎖衝突的情況下。目前java1.6以後,官方對synchronized做了大量的鎖優化(偏向鎖、自旋、輕量級鎖)。因此在非必要的情況下,建議使用synchronized做同步操作。