并发编程02——synchronizedLockAQS详解

news/2024/11/10 1:00:03

目录

一、并发同步器-设计同步器的意义

Java锁体系:

二、synchronized使用与原理详解

Java线程生命状态:

2.1、synchronized使用示例:

2.2、synchronized底层原理

2.2.1、对象的内存布局

2.2.2、锁的膨胀升级过程

三、Lock

3.1、ReentrantLock源码

3.2、ReentrantReadWriterlock源码

四、AbstractQueuedSynchronizer(AQS)

juc并发编程包依赖于AQS的内部实现:

AQS框架-管理状态:

4.1、同步等待队列

4.2、条件等待队列

4.3、公平锁

4.4、非公平锁

4.5、重入锁

4.6、不可重入锁

4.7、读写锁


一、并发同步器-设计同步器的意义

多线程编程中,有可能会出现多个线程同时访问同一个共享可变资源的情况,这个资源我们称之其为临界资源;这种资源可能是:对象、变量、文件等。

共享:资源可以由多个线程同时访问。

可变:资源可以在其生命周期内被修改。

引出的问题: 由于线程执行的过程是不可控的,所以需要采用同步机制来协同对 对象可变状态的访问。

那么我们怎么解决线程并发安全问题?
 
实际上,所有的并发模式在解决线程安全问题时,采用的方案都是 序列化访问临界资源 。即在同一时刻,只能有一个线程访问临界资源,也称作 同步互斥访问
 
Java 中,提供了两种方式来实现同步互斥访问: synchronized Lock
 
同步器的本质就是加锁。
加锁目的: 序列化访问临界资源 ,即同一时刻只能有一个线程访问临界资源( 同步互斥访问)。
 
不过有一点需要区别的是:当多个线程执行一个方法时,该方法内部的局部变量不是临界资源,因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中,因此不具有共享性,不会导致线程安全问题。
 

Java锁体系:

二、synchronized使用与原理详解

Java线程生命状态:

 
synchronized内置锁是一种 对象锁(锁的是对象而非引用。即使加在静态方法上成为类锁,类锁和一般对象锁也是互不干扰的。每个类只有一个类锁,类锁只是一个概念上的东西,并不是真实存在的。实际类锁使用时还是相当于是new了个对象,还是对象锁,但只都是同一个new对象,只有一个类锁。 ),作用粒度是对象,可以用来实现对临界资源的同步互斥访问,是可重入的。
加锁的方式:
  1. 同步实例方法,锁是当前实例对象;会锁住整个对象实例。
  2. 同步代码块,锁是括号里面的对象。只锁代码块。
  3. 同步类方法(加在static静态方法上),锁是当前类对象,类对象只有一个,即如果两个线程调用同一个类锁,是能锁住的;

2.1、synchronized使用示例:

1、synchronized直接修饰普通方法,会把整个实例锁住。如果是new两个实例,则互不干扰。

/**
* synchronized直接修饰普通方法,会把整个实例锁住。如果是new两个实例,则互不干扰。
*/
public class MyObject {

    //synchronized修饰为同步方法,如果先调用method1,则4秒后才会调用method2	
    private synchronized void method1(){
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName());
			Thread.sleep(4000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	

	//如果不用synchronized修饰,则可以直接异步调用,没有影响
	private void method2(){
		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
	}

    public static void main(String[] args) {
		//创建一个对象,t1走完才会走t2.
		MyObject myObject=new MyObject();

        Thread t1=new Thread (new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				myObject.method1();
			}
		},"t1");
		Thread t2=new Thread (new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				myObject.method1();
			}
		},"t2");
		t1.start();
		t2.start();

        //创建两个对象,t3和t1\t2互不干扰。
        MyObject myObject02=new MyObject();
        Thread t3=new Thread (new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				myObject02.method1();
			}
		},"t2");
		t3.start();
	}
}

2、synchronized修饰的代码块传入this也属于对象锁。但能减小锁粒度,只同步代码块。对于对象锁(this),如果是同一个实例,就会锁住、按顺序访问,但是如果是不同实例,就可以同时访问。多例的是锁不住的。

//如下,m1和m2锁的不是一个对象,互不干扰。且只锁代码块。this是当前对象。
class ThisLock2 {
    private final Object LOCK = new Object();
    
    public void m2() {
        synchronized (LOCK) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread());
                Thread.sleep(10_000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    public void m1() {
        synchronized (this) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread());
                Thread.sleep(10_000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3、类锁相关

package my.mark.mybaibaoxiang.concurrent.jmmAndVolatile.lock;

/**
 * @author twotiger-wxm.
 * 验证对象锁和类锁互不干扰,类锁只是一个概念上的东西,并不是真实存在的。
 * 就相当于下方示例中,
 * testClassLock.duixiangLock();和TestClassLock.classLock();
 * 调用的是两个实例。
 * 每个类只有一个类锁,多线程调用同一个类锁是能锁住的。
 */
public class TestClassLock {

    public static synchronized void classLock(){
        int i=0;
        while (i++<500){
            System.out.println("类锁=="+i+Thread.currentThread().getName());
            /*try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }*/
        }
    }

    public synchronized void duixiangLock(){
        int i=0;
        while (i++<500){
            System.out.println("对象锁=="+i+Thread.currentThread().getName());
            /*try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }*/
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestClassLock testClassLock = new TestClassLock();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                testClassLock.duixiangLock();
                //TestClassLock.classLock();//TODO 如果两个线程都用类锁,是能锁住的,执行完一个才会执行另一个。
            }
        },"t-duixiang");

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                TestClassLock.classLock();
            }
        },"t-class");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

 

 

2.2、synchronized底层原理

 
        synchronized是基于JVM内置锁实现,JVM内置锁通过synchronized使用,通过内部对象 Monitor(监视器锁) 实现,基于进入与退出Monitor 对象实现方法与代码块同步,监视器锁的实现依赖底层操作系统的 Mutex lock(互斥锁) 实现,它是一个重量级锁性能较低。当然, JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化, 如锁粗化(Lock Coarsening)、锁消除(Lock Elimination)、轻量级锁(Lightweight
Locking)、偏向锁(Biased Locking)、适应性自旋(Adaptive Spinning)等技术来减少锁操作的开销 ,内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。
        synchronized关键字被编译成字节码后会被翻译成 monitorenter monitorexit 两条指令分别在同步块逻辑代码的起始位置与结束位置。
这个enter和exit对应JMM内存模型内存交互的八大原子操作的lock和unlock。
每个对象都有一个自己的Monitor( 管程,监视器锁 ),加锁过程如下图所示:
很多线程请求过来之后,会抢monitor,抢到的去执行。抢不到的进入waitSet等待队列。Exit释放锁释放monitor之后,通知队列里的去抢锁。
那么有个问题来了,我们知道synchronized加锁加在对象上,对象是如何记录锁状态的呢?
        答案是锁状态是被记录在每个对象的对象头(Mark Word)中,下面我们一起认识一下对象的内存布局 对象的内存布局。

2.2.1、对象的内存布局

Java内存区域:

 

HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为三块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。
  1. 对象头:比如 hash码,对象所属的年代,对象锁,锁状态标志,偏向锁(线程)ID,偏向时间,数组长度(数组对象)等。
  2. 实例数据:即创建对象时,对象中成员变量,方法等。
  3. 对齐填充:对象的大小必须是8字节的整数倍。
实例对象内存中存储在哪?
如果实例对象存储在堆区时:实例对象内存存在堆区,实例的引用存在栈上,实例的元数据class存在方法区或者元空间。
但实例对象不一定是存在堆区的,如果实例对象没有线程逃逸行为,则会直接在栈上。参见逃逸分析。
 
new对象与类元数据比较:
1、每new一个对象都有。但32位和64位的对象头记录不一样。
2、元数据指针指向元空间的类。
3、new出来的对象跟元空间的类元数据,结构几乎是一样的。
 
对象头:
 
HotSpot虚拟机的 对象头 包括两部分信息, 第一部分是 “Mark Word ”,用于存储对象自身的运行时数据, 如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳 等等,这部分数据的长度在32位和
64位的虚拟机(暂不考虑开启压缩指针的场景)中分别为32个和64个Bits,官方称它为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多,其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的限度,但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本,考虑到虚拟机的空间效率,Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内  存储尽量多的信息,它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机 中对象未被锁定的状态下,MarkWord的32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码(HashCode),4Bits用于存储对象分代年龄,2Bits用于存储锁标志位,1Bit固定为0,在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储内容如下表所示:
        但是如果对象是数组类型,则需要三个机器码,因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是无法从数组的元数据来确认数组的大小,所以用一块来记录数组长度。
 
Mark Word:
        对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本,但是考虑到虚拟机的空间效率,Mark Word被设计成一个非固定的 数据结构 以便在极小的空间内存  存储尽量多的数据,它会根据对象的状态复用自己的存储空间,也就是说,Mark Word会随着程序的运行发生变化,变化状态如下(32位虚拟机):
以32位JVM中存储内容为例:她的锁有四种状态,由下往上进行膨胀升级。
 
jdk源码中说明:

2.2.2、锁的膨胀升级过程

JDK1.6版本之后对synchronized的实现进行了各种优化,如自旋锁、偏向锁和轻量级锁。并默认开启偏向锁。
开启偏向锁:-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking
锁的状态总共有四种,无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级到重量级锁,但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级。
JVM锁膨胀升级1:无锁到偏向锁到轻量级锁
 
JVM锁膨胀升级2:无锁-轻量级锁-重量级锁
 
下图为 锁的升级全过程
 
偏向锁
        偏向锁是Java 6之后加入的新锁,它是一种针对加锁操作的优化手段,经过研究发现,在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是,如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构,当这个线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程,这样就省去了大量有关锁申请的操作,从而也就提供程序的性能。所以,对于没有锁竞争的场合,偏向锁有很好的优化效果,毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合,偏向锁就失效了,因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的,因此这种场合下不应该使用偏向锁,否则会得不偿失,需要注意的是,偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。
 
轻量级锁
        倘若偏向锁失败,虚拟机并不会立即升级为重量级锁,它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的),此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁,在整个同步周期内都不存在竞争”,注意这是经验数据。需要了解的是,轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合,如果存在同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
 
自旋锁
        轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程 真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下,线程持有锁的时间都不会太长,如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失,毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,因此自旋锁会假设在不久将来,当前的线程可以获得锁,因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因),一般不会太久,可能是50个循环或100循环,在经过若干次循环后,如果得到锁,就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,那就会将线程在操作系统层面挂起,这就是自旋锁的优化方式,这种方式确实也是可以提升效率的。
最后没办法也就只能升级为重量级锁了。
 
锁消除
        消除锁是虚拟机另外一种锁的优化,这种优化更彻底,Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间,如StringBuffer的append是一个同步方法,但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量,并且不会被其他线程所使用,因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景,JVM会自动将其锁消除。
 
逃逸分析
        使用逃逸分析,编译器可以对代码做如下优化:
、同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到,那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。( synchronized作为对象锁,锁范围是同一个对象,两个对象之间是锁不住的。一般通过单例或者static锁成类锁来保证同一个对象。
、将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配,要使指向该对象的指针永远不会逃逸,对象可能是栈分配的候选,而不是堆分配。
、分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到,那么对象的部分(或全部)可以不存储在内存,而是存储在CPU寄存器中。
 
        是不是所有的对象和数组都会在堆内存分配空间?
不一定
在Java代码运行时,通过JVM参数可指定是否开启逃逸分析, ­
-XX:+DoEscapeAnalysis : 表示开启逃逸分析 ;
- XX:­-DoEscapeAnalysis : 表示关 闭逃逸分析。
从jdk 1.7开始已经默认开启逃逸分析,如需关闭,需要指定 ­-XX:­ -DoEscapeAnalysis
关于逃逸分析的案例论证见如下Git源码百宝箱:
package my.mark.mybaibaoxiang.concurrent.jmmAndVolatile.lock;

/**
 * @author twotiger-wxm.
 * 逃逸分析验证
 */
public class StackAllocTest {

    /**
     * 进行两种测试
     * 关闭逃逸分析,同时调大堆空间,避免堆内GC的发生,如果有GC信息将会被打印出来
     * VM运行参数:-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 开启逃逸分析
     * VM运行参数:-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 执行main方法后
     * jps 查看进程
     * jmap -histo 进程ID
     * 关闭逃逸分析的,显示有50万个实例。开启逃逸分析的只有八万多个。即开启逃逸分析很多对象没放堆。
     */

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        //查看执行时间
        System.out.println("cost-time " + (end - start) + " ms");
        try {
            Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }


    private static TulingStudent alloc() {
        //Jit(即时编译just-in-time)编译时会对代码进行 逃逸分析
        //并不是所有对象存放在堆区,有的一部分存在线程栈空间
        TulingStudent student = new TulingStudent();
        return student;
    }

    static class TulingStudent {
        private String name;
        private int age;
    }
}

三、Lock

以下代码相关见git百宝箱。

3.1、ReentrantLock源码

package my.mark.mybaibaoxiang.concurrent.jmmAndVolatile.lock.aqs;
/*
 * ORACLE PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
 */

/*
 *
 *
 *
 *
 *
 * Written by Doug Lea with assistance from members of JCP JSR-166
 * Expert Group and released to the public domain, as explained at
 * http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
 */

import java.util.Collection;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;

/**
 * A reentrant mutual exclusion {@link Lock} with the same basic
 * behavior and semantics as the implicit monitor lock accessed using
 * {@code synchronized} methods and statements, but with extended
 * capabilities.
 *
 * <p>A {@code ReentrantLock} is <em>owned</em> by the thread last
 * successfully locking, but not yet unlocking it. A thread invoking
 * {@code lock} will return, successfully acquiring the lock, when
 * the lock is not owned by another thread. The method will return
 * immediately if the current thread already owns the lock. This can
 * be checked using methods {@link #isHeldByCurrentThread}, and {@link
 * #getHoldCount}.
 *
 * <p>The constructor for this class accepts an optional
 * <em>fairness</em> parameter.  When set {@code true}, under
 * contention, locks favor granting access to the longest-waiting
 * thread.  Otherwise this lock does not guarantee any particular
 * access order.  Programs using fair locks accessed by many threads
 * may display lower overall throughput (i.e., are slower; often much
 * slower) than those using the default setting, but have smaller
 * variances in times to obtain locks and guarantee lack of
 * starvation. Note however, that fairness of locks does not guarantee
 * fairness of thread scheduling. Thus, one of many threads using a
 * fair lock may obtain it multiple times in succession while other
 * active threads are not progressing and not currently holding the
 * lock.
 * Also note that the untimed {@link #tryLock()} method does not
 * honor the fairness setting. It will succeed if the lock
 * is available even if other threads are waiting.
 *
 * <p>It is recommended practice to <em>always</em> immediately
 * follow a call to {@code lock} with a {@code try} block, most
 * typically in a before/after construction such as:
 *
 *  <pre> {@code
 * class X {
 *   private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 *   // ...
 *
 *   public void m() {
 *     lock.lock();  // block until condition holds
 *     try {
 *       // ... method body
 *     } finally {
 *       lock.unlock()
 *     }
 *   }
 * }}</pre>
 *
 * <p>In addition to implementing the {@link Lock} interface, this
 * class defines a number of {@code public} and {@code protected}
 * methods for inspecting the state of the lock.  Some of these
 * methods are only useful for instrumentation and monitoring.
 *
 * <p>Serialization of this class behaves in the same way as built-in
 * locks: a deserialized lock is in the unlocked state, regardless of
 * its state when serialized.
 *
 * <p>This lock supports a maximum of 2147483647 recursive locks by
 * the same thread. Attempts to exceed this limit result in
 * {@link Error} throws from locking methods.
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 * 悲观锁
 */
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    /**
     * 内部调用AQS的动作,都基于该成员属性实现
     */
    private final Sync sync;

    /**
     * ReentrantLock锁同步操作的基础类,继承自AQS框架.
     * 该类有两个继承类,1、NonfairSync 非公平锁,2、FairSync公平锁
     */
        abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;

        /**
         * 加锁的具体行为由子类实现
         */
        abstract void lock();

        /**
         * 尝试获取非公平锁
         */
        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            //acquires = 1
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            /**
             * 不需要判断同步队列(CLH)中是否有排队等待线程
             * 判断state状态是否为0,不为0可以加锁
             */
            if (c == 0) {
                //unsafe操作,cas修改state状态
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //独占状态锁持有者指向当前线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            /**
             * state状态不为0,判断锁持有者是否是当前线程,
             * 如果是当前线程持有 则state+1
             */
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            //加锁失败
            return false;
        }

        /**
         * 释放锁
         */
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

        /**
         * 判断持有独占锁的线程是否是当前线程
         */
        protected final boolean isHeldExclusively() {
            return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
        }

        //返回条件对象
        final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }


        final Thread getOwner() {
            return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
        }

        final int getHoldCount() {
            return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
        }

        final boolean isLocked() {
            return getState() != 0;
        }

        /**
         * Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).
         */
        private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
                throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
            s.defaultReadObject();
            setState(0); // reset to unlocked state
        }
    }

    /**
     * 非公平锁
     */
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
        /**
         * 加锁行为
         */
        final void lock() {
            /**
             * 第一步:直接尝试加锁
             * 与公平锁实现的加锁行为一个最大的区别在于,此处不会去判断同步队列(CLH队列)中
             * 是否有排队等待加锁的节点,上来直接加锁(判断state是否为0,CAS修改state为1)
             * ,并将独占锁持有者 exclusiveOwnerThread 属性指向当前线程
             * 如果当前有人占用锁,再尝试去加一次锁
             */
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                //AQS定义的方法,加锁
                acquire(1);
        }

        /**
         * 父类AbstractQueuedSynchronizer.acquire()中调用本方法
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

    /**
     * 公平锁
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        /**
         * 重写aqs中的方法逻辑
         * 尝试加锁,被AQS的acquire()方法调用
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                /**
                 * 与非公平锁中的区别,需要先判断队列当中是否有等待的节点
                 * 如果没有则可以尝试CAS获取锁
                 */
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                        compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //独占线程指向当前线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

    /**
     * 默认构造函数,创建非公平锁对象
     */
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    /**
     * 根据要求创建公平锁或非公平锁
     */
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    /**
     * 加锁
     */
    public void lock() {
        sync.lock();
    }

    /**
     * 尝试获去取锁,获取失败被阻塞,线程被中断直接抛出异常
     */
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    /**
     * 尝试加锁
     */
    public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }

    /**
     * 指定等待时间内尝试加锁
     */
    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

    /**
     * 尝试去释放锁
     */
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    /**
     * 返回条件对象
     */
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

    /**
     * 返回当前线程持有的state状态数量
     */
    public int getHoldCount() {
        return sync.getHoldCount();
    }

    /**
     * 查询当前线程是否持有锁
     */
    public boolean isHeldByCurrentThread() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }

    /**
     * 状态表示是否被Thread加锁持有
     */
    public boolean isLocked() {
        return sync.isLocked();
    }

    /**
     * 是否公平锁?是返回true 否则返回 false
     */
    public final boolean isFair() {
        return sync instanceof FairSync;
    }

    /**
     * Returns the thread that currently owns this lock, or
     * {@code null} if not owned. When this method is called by a
     * thread that is not the owner, the return value reflects a
     * best-effort approximation of current lock status. For example,
     * the owner may be momentarily {@code null} even if there are
     * threads trying to acquire the lock but have not yet done so.
     * This method is designed to facilitate construction of
     * subclasses that provide more extensive lock monitoring
     * facilities.
     *
     * @return the owner, or {@code null} if not owned
     */
    protected Thread getOwner() {
        return sync.getOwner();
    }

    /**
     * 判断队列当中是否有在等待获取锁的Thread节点
     */
    public final boolean hasQueuedThreads() {
        return sync.hasQueuedThreads();
    }

    /**
     * 当前线程是否在同步队列中等待
     */
    public final boolean hasQueuedThread(Thread thread) {
        return sync.isQueued(thread);
    }

    /**
     * Returns an estimate of the number of threads waiting to
     * acquire this lock.  The value is only an estimate because the number of
     * threads may change dynamically while this method traverses
     * internal data structures.  This method is designed for use in
     * monitoring of the system state, not for synchronization
     * control.
     *
     * @return the estimated number of threads waiting for this lock
     */
    public final int getQueueLength() {
        return sync.getQueueLength();
    }

    /**
     * 返回Thread集合,排队中的所有节点Thread会被返回
     */
    protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {
        return sync.getQueuedThreads();
    }

    /**
     * 条件队列当中是否有正在等待的节点
     */
    public boolean hasWaiters(Condition condition) {
        if (condition == null)
            throw new NullPointerException();
        if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
            throw new IllegalArgumentException("not owner");
        return sync.hasWaiters((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
    }

    /**
     * Returns an estimate of the number of threads waiting on the
     * given condition associated with this lock. Note that because
     * timeouts and interrupts may occur at any time, the estimate
     * serves only as an upper bound on the actual number of waiters.
     * This method is designed for use in monitoring of the system
     * state, not for synchronization control.
     *
     * @param condition the condition
     * @return the estimated number of waiting threads
     * @throws IllegalMonitorStateException if this lock is not held
     * @throws IllegalArgumentException if the given condition is
     *         not associated with this lock
     * @throws NullPointerException if the condition is null
     */
    public int getWaitQueueLength(Condition condition) {
        if (condition == null)
            throw new NullPointerException();
        if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
            throw new IllegalArgumentException("not owner");
        return sync.getWaitQueueLength((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
    }

    /**
     * Returns a collection containing those threads that may be
     * waiting on the given condition associated with this lock.
     * Because the actual set of threads may change dynamically while
     * constructing this result, the returned collection is only a
     * best-effort estimate. The elements of the returned collection
     * are in no particular order.  This method is designed to
     * facilitate construction of subclasses that provide more
     * extensive condition monitoring facilities.
     *
     * @param condition the condition
     * @return the collection of threads
     * @throws IllegalMonitorStateException if this lock is not held
     * @throws IllegalArgumentException if the given condition is
     *         not associated with this lock
     * @throws NullPointerException if the condition is null
     */
    protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) {
        if (condition == null)
            throw new NullPointerException();
        if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
            throw new IllegalArgumentException("not owner");
        return sync.getWaitingThreads((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
    }

    /**
     * Returns a string identifying this lock, as well as its lock state.
     * The state, in brackets, includes either the String {@code "Unlocked"}
     * or the String {@code "Locked by"} followed by the
     * {@linkplain Thread#getName name} of the owning thread.
     *
     * @return a string identifying this lock, as well as its lock state
     */
    public String toString() {
        Thread o = sync.getOwner();
        return super.toString() + ((o == null) ?
                "[Unlocked]" :
                "[Locked by thread " + o.getName() + "]");
    }
}

 

3.2、ReentrantReadWriterlock源码

见git百宝箱
 

四、AbstractQueuedSynchronizer(AQS)

并发之父 Doug Lea镇位
生平不识 Doug Lea ,学懂并发也枉然
        Java并发编程核心在于java.concurrent.util包,而juc当中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为,比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等,而这个行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer简称AQS,AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架,是一个依赖状态( state )的同步器。
AQS具备特性
阻塞等待队列
共享/独占
公平/非公平
可重入
允许中断
 
AQS中用了大量的死循环,循环中做线程的暂停中断。
独占也叫悲观,共享也叫乐观。
 

juc并发编程包依赖于AQS的内部实现:

例如Java.concurrent.util当中同步器的实现如Lock,Latch,Barrier等,都是基于AQS框架实现
  • 一般通过定义内部类Sync继承AQS。
  • 将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法。

AQS框架-管理状态:

AQS内部维护属性 volatile int state (32位)
  • state表示资源的可用状态
State三种访问方式 getState()、setState()、compareAndSetState()
AQS定义两种资源共享方式
  • Exclusive-独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock
  • Share-共享,多个线程可以同时执行,如Semaphore/CountDownLatch
AQS定义两种队列
  • 同步等待队列
  • 条件等待队列
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现主要实现以下几种方法:
  1. isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
  2. tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
  3. tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
  4. tryAcquireShared(int):共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
  5. tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。

4.1、同步等待队列

AQS当中的同步等待队列也称CLH队列,CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列,是FIFO先入先出线程等待队列,Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制

4.2、条件等待队列

Condition是一个多线程间协调通信的工具类,使得某个,或者某些线程一起等待某个条件(Condition),只有当该条件具备时,这些等待线程才会被唤醒,从而重新争夺锁。
 
 
 

4.3、公平锁

公平和非公平锁的区别:获取锁失败时如何处理?

4.4、非公平锁

 

4.5、重入锁

 

4.6、不可重入锁

 

4.7、读写锁

写锁(独享锁、排他锁),是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后,则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得写锁的线程即能读数据又能修改数据。
 
读锁(共享锁)是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后,则其他线程只能对A再加共享锁,不能加排它锁。获得读锁的线程只能读数据,不能修改数据。
 
AQS中state字段(int类型,32位),此处state上分别描述读锁和写锁的数量于是将state变量“按位切割”切分成了两个部分:
  1. 高16位表示读锁状态(读锁个数)
  2. 低16位表示写锁状态(写锁个数)

 

 

 

 

 

 

 


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