欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页  >  IT编程

详解Java中的ReentrantLock锁

程序员文章站 2022-06-15 08:07:06
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,...

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

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

以上就是详解java中的reentrantlock锁的详细内容,更多关于java中的reentrantlock锁的资料请关注其它相关文章!