你真的了解ReentrantLock吗？公平锁和非公平锁获取和释放相同吗？

程序员文章站 2024-03-24 08:50:22

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文章目录

锁的释放和获取的内存语义
锁内存语义的实现
lock() 获取锁（公平）
unlock()解锁
lock() 获取锁（非公平）
公平锁和非公平锁的区别
tryLock()

在介绍ReentrantLock的时候，首先我们要先了解锁的释放和获取，在java内存中究竟怎么处理的。

锁的释放和获取的内存语义

当线程释放锁时，java内存模型（以下简称JMM）会把线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。你真的了解ReentrantLock吗？公平锁和非公平锁获取和释放相同吗？
当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，从而使得监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。

对比锁释放-获取的内存语义与volatile写-读的内存语义可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。

总结：

线程A释放一个锁，实际是线程A向接下来将要获取这个锁（线程B）的某个线程发出了（线程A对共享变量修改的）消息；
线程B获取一个锁，实际是线程B接收了之前某个线程（线程A）发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息；
线程A释放锁，线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

锁内存语义的实现

借助ReentrantLock源代码，来分析锁内存语义具体的实现机制。

    public void test(){
        int a = 0;
        Lock lock = new ReentrantLock();
        lock.lock();
        try{
            a++;
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在ReentrantLock中，调用lock()方法获取锁；调用unlock()方法释放锁。

ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（简称之为AQS,AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态,volatile修饰的state保证了变量可见性，volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，FairSync和NonfairSync，同时继承自Sync，我们先来说公平锁。

lock() 获取锁（公平）

	//公平锁的同步对象
    static final class FairSync extends Sync {
        final void lock() {
            acquire(1);
        }
    }

如果锁未被另一个线程持有，则获取该锁并立即返回，将锁持有计数设置为1。
如果当前线程已经持有锁，那么持有计数将增加1，并且方法立即返回。
如果锁被另一个线程持有，则当前线程将因线程调度而禁用，并处于休眠状态，直到获得锁为止，此时锁持有计数设置为1。

Sync继承AQS，而公平锁FairSync继承自Sync。

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

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    /**
     * 公平锁的tryAcquire方法，真正的加锁
     * 除非递归调用或没有服务生或是第一个，否则不要授予访问权限。
     */    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
          final Thread current = Thread.currentThread();
          //获取锁的开始，首先读通过volatile修饰的state变量
          int c = getState();
          if (c == 0) {
              if (!hasQueuedPredecessors() &&
                  compareAndSetState(0, acquires)) {
                  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;
      }

同步状态
private volatile int state;

使用公平锁时，加锁方法lock()调用流程：

ReentrantLock:lock()
FairSync:lock()
AbstractQueuedSynchronizer:acquire(int arg)
ReentrantLock:tryAcquire(int acquires)

unlock()解锁

//释放锁
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable{
    public void unlock() {
       sync.release(1);
    }
}

如果当前线程是这个锁的持有者，那么计数递减。
如果当前计数为零，则释放锁。
如果当前线程不是此线程的持有者，则抛异常IllegalMonitorStateException

//以独占的方式释放
//tryRelease()方法如果返回true，则通过解锁一个或多个线程来实现。
abstract class AbstractQueuedSynchronizer{
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

	//释放锁
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
    	//volatile修饰state 减去需要释放的锁
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        //等于0，说明没有需要同步的，锁释放成功
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        //释放锁最后，写volatile变量state
        setState(c);
        return free;
    }

在使用公平锁时，解锁方法unlock()调用过程：

ReentrantLock:unlock()
AbstractQueuedSynchronizer:release(int arg)
Sync:tryRelease(int releases)
公平锁在释放锁的最后写volatile变量state，在获取锁时首先读这个volatile变量。根据volatile的happens-before规则，释放锁的线程在写volatile变量之前可见的共享变量，在获取锁的线程读取同一个volatile变量后将立即变得对获取锁的线程可见。

非公平锁的释放和公平锁是一样的，我们来看下非公平锁的获取。

lock() 获取锁（非公平）

    static final class NonfairSync extends Sync {
    
        final void lock() {
        	//通过CAS，期望值为0 ，更新值 1
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

        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) {
             if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                 setExclusiveOwnerThread(current);
                 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;
     }

如果当前状态值等于期望值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。

    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

使用非公平锁时，加锁方法lock()调用流程

ReentrantLock:lock()
NonfairSync:lock()
AbstractQueuedSynchronizer:compareAndSetState(int expect,int update)

编译器不会对volatile读与volatile读后面的任意内存操作重排序；编译器不会对volatile写与volatile写前面的任意内存操作重排序。组合这两个条件，意味着为了同时实现volatile读和volatile写的内存语义，编译器不能对CAS与CAS前面和后面的任意内存操作重排序。

公平锁和非公平锁的区别

现在对公平锁和非公平锁做个总结。

公平性与否是针对获取锁而言的，如果一个锁是公平的，那么锁的获取顺序就应该符合请求的绝对时间顺序，也就是FIFO。
公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。
公平锁获取时，首先会去读volatile变量。
非公平锁获取时，首先会用CAS更新volatile变量，这个操作同时具有volatile读和volatile写的内存语义，只要CAS设置同步状态成功，则表示当前线程获取了锁，而公平锁则不同。
公平性锁每次都是从同步队列中的第一个节点获取到锁，而非公平性锁会出现一个线程连续获取锁的情况。
公平性锁保证了锁的获取按照FIFO原则，而代价是进行大量的线程切换。非公平性锁虽然可能造成线程“饥饿”，但极少的线程切换，保证了其更大的吞吐量。

公平锁tryAcquire，非公平锁nonfairTryAcquire，唯一不同的位置为判断条件多了hasQueuedPredecessors()方法，即加入了同步队列中当前节点是否有前驱节点的判断，如果该方法返回true，则表示有线程比当前线程更早地请求获取锁，因此需要等待前驱线程获取并释放锁之后才能继续获取锁。

对ReentrantLock的分析可以看出，锁释放-获取的内存语义的实现至少有下面两种
方式。

利用volatile变量的写-读所具有的内存语义。
利用CAS所附带的volatile读和volatile写的内存语义。

tryLock()

获取锁（如果有）并立即返回true。如果锁不可用，则此方法将立即返回值false

    public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }
    
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                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;
    }

该方法增加了再次获取同步状态的处理逻辑：通过判断当前线程是否为获取锁的线程来决定获取操作是否成功，如果是获取锁的线程再次请求，则将同步状态值进行增加并返回true，表示获取同步状态成功。

成功获取锁的线程再次获取锁，只是增加了同步状态值，这也就要求ReentrantLock在释放同步状态时减少同步状态值，释放锁时tryRelease()方法，上边已经贴过源码

    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;
    }

如果该锁被获取了n次，那么前(n-1)次tryRelease(int releases)方法必须返回false，而只有同步状态完全释放了，才能返回true。可以看到，该方法将同步状态是否为0作为最终释放的条件，当同步状态为0时，将占有线程设置为null，并返回true，表示释放成功。

参考书籍：[java并发编程的艺术]