Java?AQS中ReentrantLock條件鎖的使用

更新時間：2023年02月02日 10:25:53 作者：飛奔的小付

ReentrantLock繼承了Lock接口，?lock方法實際上是調(diào)用了Sync的子類NonfairSync(非公平鎖)的lock方法。ReentrantLock的真正實現(xiàn)在他的兩個內(nèi)部類NonfairSync和FairSync中，默認(rèn)實現(xiàn)是非公平鎖

一.什么是AQS

1.定義

java.util.concurrent包中的大多數(shù)同步器實現(xiàn)都是圍繞著共同的基礎(chǔ)行為，比如等待隊列、條件隊列、獨占獲取、共享獲取等，而這些行為的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer（簡稱AQS）實現(xiàn)的，AQS是一個抽象同步框架，可以用來實現(xiàn)一個依賴狀態(tài)的同步器。

JDK中提供的大多數(shù)的同步器如Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS框架來實現(xiàn)的。

一般都是通過一個內(nèi)部類sync繼承AQS
將同步器所有調(diào)用都同步到Sync對應(yīng)的方法

2.特性

阻塞等待隊列
共享/獨占
公平/非公平
可重入
允許中斷

3.屬性

內(nèi)部維護(hù)屬性volatile int state，表示資源的可用狀態(tài)

getState()
setState()
compareAndSetState()

4.資源共享方式

Exclusive-獨占，只有一個線程能執(zhí)行，如ReentrantLock
Share-共享，多個線程可以同時執(zhí)行，如Semaphore/CountDownLatch

5.兩種隊列

同步等待隊列：主要用于維護(hù)獲取鎖失敗時入隊的線程
條件等待隊列：調(diào)用await()的時候會釋放鎖，然后線程會加入到條件隊列，調(diào)用signal()喚醒的時候會把條件隊列中的線程節(jié)點移動到同步隊列中，等待再次獲得鎖

6.隊列節(jié)點狀態(tài)

值為0，初始化狀態(tài)，表示當(dāng)前節(jié)點在sync隊列中，等待著獲取鎖。
CANCELLED，值為1，表示當(dāng)前的線程被取消；
SIGNAL，值為-1，表示當(dāng)前節(jié)點的后繼節(jié)點包含的線程需要運行，也就是unpark；
CONDITION，值為-2，表示當(dāng)前節(jié)點在等待condition，也就是在condition隊列中；
PROPAGATE，值為-3，表示當(dāng)前場景下后續(xù)的acquireShared能夠得以執(zhí)行；

7.實現(xiàn)方法

自定義同步器實現(xiàn)時主要實現(xiàn)以下幾種方法：

isHeldExclusively()：該線程是否正在獨占資源。只有用到condition才需要去實現(xiàn)它。
tryAcquire(int)：獨占方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryRelease(int)：獨占方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryAcquireShared(int)：共享方式。嘗試獲取資源。負(fù)數(shù)表示失??；0表示成功，但沒有剩余可用資源；正數(shù)表示成功，且有剩余資源。
tryReleaseShared(int)：共享方式。嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續(xù)等待結(jié)點返回true，否則返回false。

二.等待隊列

1.同步等待隊列

AQS當(dāng)中的同步等待隊列也稱CLH隊列，CLH隊列是Craig、Landin、Hagersten三人發(fā)明的一種基于雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的隊列，是FIFO先進(jìn)先出線程等待隊列，Java中的CLH隊列是原CLH隊列的一個變種,線程由原自旋機制改為阻塞機制。

AQS 依賴CLH同步隊列來完成同步狀態(tài)的管理：

當(dāng)前線程如果獲取同步狀態(tài)失敗時，AQS則會將當(dāng)前線程已經(jīng)等待狀態(tài)等信息構(gòu)造成一個節(jié)點（Node）并將其加入到CLH同步隊列，同時會阻塞當(dāng)前線程
當(dāng)同步狀態(tài)釋放時，會把首節(jié)點喚醒（公平鎖），使其再次嘗試獲取同步狀態(tài)。
通過signal或signalAll將條件隊列中的節(jié)點轉(zhuǎn)移到同步隊列。（由條件隊列轉(zhuǎn)化為同步隊列）

2.條件等待隊列

AQS中條件隊列是使用單向列表保存的，用nextWaiter來連接:

調(diào)用await方法阻塞線程；
當(dāng)前線程存在于同步隊列的頭結(jié)點，調(diào)用await方法進(jìn)行阻塞（從同步隊列轉(zhuǎn)化到條件隊列）

三.condition接口

調(diào)用Condition#await方法會釋放當(dāng)前持有的鎖，然后阻塞當(dāng)前線程，同時向Condition隊列尾部添加一個節(jié)點，所以調(diào)用Condition#await方法的時候必須持有鎖。
調(diào)用Condition#signal方法會將Condition隊列的首節(jié)點移動到阻塞隊列尾部，然后喚醒因調(diào)用Condition#await方法而阻塞的線程(喚醒之后這個線程就可以去競爭鎖了)，所以調(diào)用Condition#signal方法的時候必須持有鎖，持有鎖的線程喚醒被因調(diào)用Condition#await方法而阻塞的線程。

    public static void main(String[] args) {
        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 開始處理任務(wù)");
                //會釋放當(dāng)前持有的鎖，然后阻塞當(dāng)前線程
                condition.await();
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 結(jié)束處理任務(wù)");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 開始處理任務(wù)");
                Thread.sleep(2000);
                //喚醒因調(diào)用Condition#await方法而阻塞的線程
                condition.signal();
                log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 結(jié)束處理任務(wù)");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
    }

Thread-0 開始處理任務(wù)

Thread-1 開始處理任務(wù)

Thread-1 結(jié)束處理任務(wù)

Thread-0 結(jié)束處理任務(wù)

四.ReentrantLock

1.ReentrantLock是什么

ReentrantLock是一種基于AQS框架的應(yīng)用實現(xiàn)，是JDK中的一種線程并發(fā)訪問的同步手段，它的功能類似于synchronized是一種互斥鎖，可以保證線程安全。

2.特點

可中斷
可以設(shè)置超時時間
可以設(shè)置為公平鎖
支持多個條件變量
與 synchronized 一樣，都支持可重入

3. ReentrantLock和synchronized的區(qū)別

synchronized是JVM層次的鎖實現(xiàn)，ReentrantLock是JDK層次的鎖實現(xiàn)；
synchronized的鎖狀態(tài)是無法在代碼中直接判斷的，但是ReentrantLock可以通過ReentrantLock#isLocked判斷；
synchronized是非公平鎖，ReentrantLock可以是公平也可以是非公平的，默認(rèn)是非公平的；
synchronized是不可以被中斷的，而ReentrantLock#lockInterruptibly方法是可以被中斷的；
在發(fā)生異常時synchronized會自動釋放鎖，而ReentrantLock需要開發(fā)者在finally塊中顯示釋放鎖；
ReentrantLock獲取鎖的形式有多種：如立即返回是否成功的tryLock(),以及等待指定時長的獲取，更加靈活；
synchronized在特定的情況下對于已經(jīng)在等待的線程是后來的線程先獲得鎖（回顧一下sychronized的喚醒策略），而ReentrantLock對于已經(jīng)在等待的線程是先來的線程先獲得鎖；

4. ReentrantLock的使用

偽代碼：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //參數(shù)默認(rèn)false，不公平鎖  
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平鎖  
//加鎖    
lock.lock(); 
try {  
    //臨界區(qū) 
} finally { 
    // 解鎖 
    lock.unlock();

例子：基本使用

	private static int sum = 0;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread thread = new Thread(()->{
                //加鎖 一般寫在try前面
                lock.lock();
                try {
                    // 臨界區(qū)代碼 業(yè)務(wù)邏輯
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        sum++;
                    }
                } finally {
                    // 解鎖
                    lock.unlock();
                }
            });
            thread.start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(sum);
    }

30000

可重入

public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        method1();
    }
    public static void method1() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method1");
            method2();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method2() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method2");
            method3();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method3() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method3");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

execute method1

execute method2

execute method3

可中斷

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("t1啟動...");
            try {
                lock.lockInterruptibly();
                try {
                    log.debug("t1獲得了鎖");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.debug("t1等鎖的過程中被中斷");
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        try {
            log.debug("main線程獲得了鎖");
            t1.start();
            //先讓線程t1執(zhí)行
            Thread.sleep(1000);
            t1.interrupt();
            log.debug("線程t1執(zhí)行中斷");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

main線程獲得了鎖

t1啟動…

線程t1執(zhí)行中斷

t1等鎖的過程中被中斷

鎖超時

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("t1啟動...");
            try {
                //if (!lock.tryLock()) {
                //  log.debug("t1獲取鎖失敗，立即返回false");
                //  return;
                //}
 				if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                    log.debug("等待 1s 后獲取鎖失敗，返回");
                    return;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                return;
            }
            try {
                log.debug("t1獲得了鎖");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        try {
            log.debug("main線程獲得了鎖");
            t1.start();
            //先讓線程t1執(zhí)行
            Thread.sleep(2000);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

main線程獲得了鎖

t1啟動…

等待 1s 后獲取鎖失敗，返回

公平鎖和非公平鎖

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//        ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平鎖
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //非公平鎖
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "t" + i).start();
        }
        // 1s 之后去爭搶鎖
        Thread.sleep(1000);
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "強行插入" + i).start();
        }
    }

條件變量

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition cigCon = lock.newCondition();
    private static Condition takeCon = lock.newCondition();
    private static boolean hashcig = false;
    private static boolean hastakeout = false;
    //送煙
    public void cigratee(){
        lock.lock();
        try {
            while(!hashcig){
                try {
                    log.debug("沒有煙，歇一會");
                    cigCon.await();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("有煙了，干活");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    //送外賣
    public void takeout(){
        lock.lock();
        try {
            while(!hastakeout){
                try {
                    log.debug("沒有飯，歇一會");
                    takeCon.await();

                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("有飯了，干活");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockDemo6 test = new ReentrantLockDemo6();
        new Thread(() ->{
            test.cigratee();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            test.takeout();
        }).start();
        new Thread(() ->{
            lock.lock();
            try {
                hashcig = true;
                log.debug("喚醒送煙的等待線程");
                cigCon.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t1").start();
        new Thread(() ->{
            lock.lock();
            try {
                hastakeout = true;
                log.debug("喚醒送飯的等待線程");
                takeCon.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t2").start();
    }

沒有煙，歇一會
沒有飯，歇一會
喚醒送煙的等待線程
喚醒送飯的等待線程
有煙了，干活
有飯了，干活

五.源碼解析

首先會調(diào)用lock方法

public void lock() {
        sync.lock();
    }

lock會調(diào)用公平方法或者非公平的方法，默認(rèn)是非公平鎖方法，非公平鎖則會cas嘗試加鎖，state是不是0，是0的話就把它改為1，并設(shè)置當(dāng)前線程為獨占線程，加鎖成功，待下個線程進(jìn)來時已經(jīng)變成1，則失敗阻塞。

加鎖

	final void lock() {
		// 看狀態(tài)是不是0，如果是0 則改為1,加鎖成功
        if (compareAndSetState(0, 1))
         // 并設(shè)置當(dāng)前線程為獨占線程
           setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
        	//不是0則失敗阻塞
           acquire(1);
    }
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

加鎖失敗(入隊阻塞)

 public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            //恢復(fù)中斷標(biāo)識位
            selfInterrupt();
    }

首先tryAcquire 又進(jìn)行了一次判斷，看是否能獲取鎖，

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //其他線程進(jìn)來，狀態(tài)值是1
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            	// 重入，將狀態(tài)值+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

添加進(jìn)隊列

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;
        //第一次tail為空
        if (pred != null) {
        	//尾插法
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //tail為空則在這里創(chuàng)建隊列
        enq(node);
        return node;
    }

創(chuàng)建隊列并且入隊

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
            	//創(chuàng)建隊列
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                	// 將頭節(jié)點指向前一節(jié)點的尾節(jié)點，這時候tail不為空了
                    tail = head;
            } else {
            	//雙向接口，前一節(jié)點的尾節(jié)點也指向當(dāng)前節(jié)點的頭節(jié)點
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

阻塞

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) { //保證一定獲取鎖
            	//獲取head節(jié)點
                final Node p = node.predecessor();
                //是頭節(jié)點則嘗試獲取鎖
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                	//設(shè)置頭節(jié)點
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                //獲取鎖失敗的情況，阻塞，在for循環(huán)里，第一次shouldParkAfterFailedAcquire為false,會將其設(shè)置為-1，第二次就可以阻塞
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

是否需要阻塞，把狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL，可以被喚醒了

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        //是-1了就可以去阻塞
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do { //把節(jié)點去掉
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
             //把狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL，可以被喚醒了
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

真正的阻塞方法

 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
 		//阻塞
        LockSupport.park(this);
        //清除中斷標(biāo)識位，在加鎖失敗方法的后面恢復(fù)中斷標(biāo)識位，可能其他地方還用到這個鎖標(biāo)識位
        return Thread.interrupted();
    }

喚醒 unlock()

 public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
  public final boolean release(int arg) {
  	// 嘗試喚醒
     if (tryRelease(arg)) {
         Node h = head;
         if (h != null && h.waitStatus != 0)
         	//喚醒阻塞的線程
             unparkSuccessor(h);
         return true;
     }
     return false;
 }

protected final boolean tryRelease(int releases) {
			//當(dāng)前狀態(tài)-1
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //設(shè)置狀態(tài)
            setState(c);
            return free;
        }

在這里喚醒

private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        //后面一個節(jié)點不為空 則直接喚醒當(dāng)前線程
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

線程取消獲取鎖

private void cancelAcquire(Node node) {
        // Ignore if node doesn't exist
        if (node == null)
            return;
        node.thread = null;
        // Skip cancelled predecessors
        Node pred = node.prev;
        while (pred.waitStatus > 0)
        	//將前一個節(jié)點干掉
            node.prev = pred = pred.prev;
        // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
        // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
        // or signal, so no further action is necessary.
        Node predNext = pred.next;
        // Can use unconditional write instead of CAS here.
        // After this atomic step, other Nodes can skip past us.
        // Before, we are free of interference from other threads.
        node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        // If we are the tail, remove ourselves.
        if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
            compareAndSetNext(pred, predNext, null);
        } else {
            // If successor needs signal, try to set pred's next-link
            // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
            int ws;
            if (pred != head &&
                ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
                 (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
                pred.thread != null) {
                Node next = node.next;
                if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                    compareAndSetNext(pred, predNext, next);
            } else {
                unparkSuccessor(node);
            }
            node.next = node; // help GC
        }
    }

至此加鎖、解鎖、阻塞、喚醒的底層源碼都梳理完了。

到此這篇關(guān)于Java AQS中ReentrantLock條件鎖的使用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java ReentrantLock條件鎖內(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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