详解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
类
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
类
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
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