JAVA源码分析------锁（1）

第一次写博客，也就是记录一些自己对于JAVA的一些理解，不足之处，请大家指出，一起探讨。

这篇博文我打算说一下JAVA中锁，也就是Lock（）的部分源码，这里我拿了一个Lock的具体实现类ReentrantLock来举例，但其实其他几个实现类大同小异。

附上一张流程图，来源我忘记，比较抱歉啊。

 

首先声明一下ReentrantLock类中的结构

其中有一个Sync静态内部类，该类继承自AbstractQuenedSynchrorizer

在AbstractQuenedSynchrorizer中，实现了大部分关于lock的操作，一般只留下tryAcquire(）尝试获取锁，tryRelease()尝试释放锁,延迟到子类来完成，可以提高扩展性

 

而Sync也有两个子类，分别为NonfairSync与FairSync

 

那么从lock()入手。

lock()

 

先调了ReentrantLock中的lock（）方法

 

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

}

 

 上面说过了，默认情况下调用lock()方法时调用的是非公平锁，也就是NonfairLock()类中的lock()

 

 

final void lock() {
   
 if (compareAndSetState(0, 1))

        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
   
 else
        
        acquire(1);

}

 

 

这段代码比较好理解，重点放在else部分内，

首先compareAndSetState(0, 1)其实是一个CAS自旋，锁若是未被持有，默认是状态是0，持有后改为1，该方法内部调用的是unsafe的一个自旋，原理就是compareAndSetState(old, new)

若是old值等于期望值，那么将其设置为new值，试想，第一个现成进入if部分，显然可以成功获得锁，并且设置锁的状态为1，那么后面的现成进入后，若是第一个现成不释放锁，之后的现成调用compareAndSetState(0, 1)时，因为old是0，而期望值是1，不相符，所以不会获得该锁。

 

接下来就是else

 

public final void acquire(int arg) {
   
 if (!tryAcquire(arg) &&
 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
               
   selfInterrupt();

}

 

 这是AbstractQuenedSynchrorizer中的一个函数，由于尝试获取锁

 

 

tryAcquire(arg)显然是调用了NonfairLock类中的tryAcquire()函数，之前也提到了AbstractQuenedSynchrorizer将tryAcquire(）尝试获取锁，tryRelease()尝试释放锁,延迟到子类来完成

 

那么看一看NonfairLock类中tryAcquire（）的代码

 

 

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(next);

        return true;

    }

    return false;

}

 

 

 

getState()获取该锁的状态，初始值为0

也就是说若c==0，则表示该锁未被占用，那么使用compareAndSetState将其设置为1，同时将当前现成置标志位锁的拥有者。

这里其实很好的体现了什么叫非公平锁，试想，当一个现成尝试获取锁时失败看，进入else部分，else内部又让其尝试获取锁，假设之前占有锁的现成在此时释放了锁，那么也就会导致当前线程可以成功的获取到锁，注意，是在第一次获取锁失败之后的一次尝试获取，然后居然就获取成功了，也就是无视了等待队列中的现成，变成了后来者居上的局面。当然也不能说这种非公平方式的获取锁不好，恰恰是这样，大大提高了吞吐量。

 

那么接下来，若是c!=0呢，进入else部分，判断的条件是当前现成是否是锁的拥有者现成，如果是的话，只是简单的做了个状态+1而已。

 

若是以上两者情况都不属于，那么返回false，说明该现成当前来看确实无法获取到锁，准备将其插入到等待队列中。

 

在!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)这个条件的前半部分已经处理完了，返回若是true,则当前线程获得了锁，否则，没有获得锁

进入后半个判断acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

 

 

这里可以看到其内部调了其他一个函数addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

 

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)) {

            pred.next = node;

            return node;

        }

    }
    
enq(node);
    
return node;

}

 

 

这里需要说明一个问题，就是AbstractQuenedSynchrorizer在内部自己维护了一个双向链表，放的是未获得锁的等待线程

在看这段代码，将当前线程包装成一个Node节点。

获取到该链表的尾节点tail，若尾节点不为null，做一个尾节点与当前新节点的链接，同时compareAndSetTail(pred, node)将tail更新为新加入的节点

 

 

若是尾节点为null，调用enq（）

 

 

private Node enq(final Node node) {

    for (;;) {

        Node t = tail;

        if (t == null) { // Must initialize

            if (compareAndSetHead(new Node()))

                tail = head;

        } else {

            node.prev = t;

            if (compareAndSetTail(t, node)) {

                t.next = node;

                return t;

            }

        }

    }

}

 

 

其大意为若尾节点为null，认为当前链表为空，那么构造一个头结点之后将新节点加入该链表

 

addWaiter（）的核心目的就是将线程包装成节点后加入链表尾部

 

 

好了，最后调用if内部执行的函数selfInterrupt();

 

static void selfInterrupt() {

    Thread.currentThread().interrupt();

}

 

 

中断当前线程，至此一个完整的lock（）走完。

 

 

 

接下去就是unlock（）

 

 

相比之下unlock（）比较好理解

 

public void unlock() {

    sync.release(1);

}

 调用了AbstractQuenedSynchrorizer内的

 

 

public final boolean release(int arg) {

    if (tryRelease(arg)) {

        Node h = head;

        if (h != null && h.waitStatus != 0)

            unparkSuccessor(h);

        return true;

    }
    
return false;

}

 

 

类似的，看看tryRelease(arg)做了什么

 

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;

}

 

 

这里继续说明一下，前面说过AbstractQuenedSynchrorizer将tryAcquire(）尝试获取锁，tryRelease()尝试释放锁,延迟到子类来完成，这也是一个体现

这里比较好理解，更新状态，若c==0，setExclusiveOwnerThread(null);设置当前锁未被线程锁拥有，同时设置状态为，若是c不为0，依次释放，知道其为0，然后将该锁的拥有者置为null

 

 

返回去看release，获取等待队列的头节点，h != null && h.waitStatus != 0这个条件判断的是头结点是否是一个有效节点，若是调用unparkSuccessor(h);

 

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;

    }

    if (s != null)

        LockSupport.unpark(s.thread);

}

 

 

这段代码的意思在于找出第一个可以unpark的线程，一般说来head.next == head，Head就是第一个线程，但Head.next可能被取消或被置为null，因此比较稳妥的办法是从后往前找第一个可用线程。

 

 

 

总结一下，一般来说，在等待队列中的头结点并不是持有锁的节点，而是理解成即将持有锁的节点，因为当锁被释放之后，若是没有被不公平锁的抢占方式抢走了锁，他们头结点是具有获取锁资格的第一人选，若是头结点成功获取到锁，那么他会从链表中脱离，链表更新头结点。

 

在这里阻塞线程使用的park,同样是unsafe调用了本地方法park（）

反之，唤醒线程使用的是unpark（），调用过程同park（）

 

AbstractQuenedSynchrorizer做为一个同步器，是Lock具体实现类的基本功能提供类，像ReentrantLock只是做了该类的一个代理，以及将tryAquire()与tryRelease()的延迟实现。

在每个具体实现部分比如获取锁，释放锁等操作，都调用的CAS自旋操作。

这个我小小的说一下我对于这里为何要使用自旋的原因，首先Lock我们知道是一种轻量级的锁的实现，那么基于这种方式，若是我们想Synchorized方式那样，直接阻塞其余线程，等到有资源的时候再将其唤醒。

一个线程的调度是比较耗费CPU资源的尤其是我们在JVM内部还会实现一些类似于等待队列，运行队列，就绪队列这样的数据结构是，一个线程的切换，不仅仅是将其信息置入到内存，还需要将其在各个队列之间相互转换，就绪队列->运行队列等等。这种情况下，若是我们知道同步操作可以在非常短的时间内完成，那还有比较这样做频繁的线程切换么。

我们大可以将A线程保持其占有处理机的专状态，也就是让其一致在循环运行，循环体可以是空，也可以是一些无意义的指令，等到有资源时直接进入他的工作状态。虽然看起来占着处理机不放不是很好，但是从某种程度上来说，这样会比频繁的切换线程所造成的内存消耗来的更能让人接受。

 

当然这之间必然有一种平衡，究竟让线程空转多少时间比较合适呢，时间长了明显不合适，短了，又会造成白转的现像。所以这个我个人认为还是主要看运用的场合，若是同步操作很快能完成，那可以用CAS，否则的话，就看如何取舍了。

 

恩，那这篇差不多写到这里，有不足的地方欢迎大家提出一起研究。