一、前言
ReentrantLock是JDK1.5引入的，它擁有與synchronized相同的并發性和內存語義，并提供了超出synchonized的其他高級功能(例如，中斷鎖等候、條件變量等)，并且使用ReentrantLock比synchronized能獲得更好的可伸縮性。
ReentrantLock的實現基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)和LockSupport。
AQS主要利用硬件原語指令(CAS compare-and-swap)，來實現輕量級多線程同步機制，并且不會引起CPU上文切換和調度，同時提供內存可見性和原子化更新保證(線程安全的三要素：原子性、可見性、順序性)。
AQS的本質上是一個同步器/阻塞鎖的基礎框架，其作用主要是提供加鎖、釋放鎖，并在內部維護一個FIFO等待隊列，用于存儲由于鎖競爭而阻塞的線程。
二、關鍵代碼分析
1.關鍵字段
AQS使用鏈表作為隊列，使用volatile變量state，作為鎖狀態標識位。
/** *//**
* Head of the wait queue, lazily initialized. Except for
* initialization, it is modified only via method setHead. Note:
* If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be
* CANCELLED.
*/
private transient volatile Node head; //等待隊列的頭
/** *//**
* Tail of the wait queue, lazily initialized. Modified only via
* method enq to add new wait node.
*/
private transient volatile Node tail; //等待隊列的尾
/** *//**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state; //原子性的鎖狀態位，ReentrantLock對該字段的調用是通過原子操作compareAndSetState進行的
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) 
{
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
2.ReentrantLock的公平鎖與非公平鎖
從ReentrantLock的構造子可以看到，ReentrantLock提供兩種鎖：公平鎖和非公平鎖，其內部實現了兩種同步器NonfairSync、FairSync派生自AQS，主要才采用了模板方法模式，主要重寫了AQS的tryAcquire、lock方法，如下圖。
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = (fair)? new FairSync() : new NonfairSync();
}
3.獲取鎖操作
public void lock() {
sync.lock();
}
由于NonfairSync、FairSync分別實現了lock方法，我們將分別探討
3.1NonfairSync.lock()分析
(1)通過原子的比較并設置操作，如果成功設置，說明鎖是空閑的，當前線程獲得鎖，并把當前線程設置為鎖擁有者；
(2)否則，調用acquire方法；
package java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//表示如果當前state=0，那么設置state=1，并返回true；否則返回false。由于未等待，所以線程不需加入到等待隊列
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
package java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer //AbstractOwnableSynchronizer是AQS的父類
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t) {
exclusiveOwnerThread = t;
}
3.1.1acquire方法分析
(1)如果嘗試以獨占的方式獲得鎖失敗，那么就把當前線程封裝為一個Node，加入到等待隊列中；如果加入隊列成功，接下來檢查當前線程的節點是否應該等待(掛起)，如果當前線程所處節點的前一節點的等待狀態小于0，則通過LockSupport掛起當前線程；無論線程是否被掛起，或者掛起后被激活，都應該返回當前線程的中斷狀態，如果處于中斷狀態，需要中斷當前線程。
package java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
3.1.2nonfairTryAcquire分析
(1)如果鎖狀態空閑(state=0)，且通過原子的比較并設置操作，那么當前線程獲得鎖，并把當前線程設置為鎖擁有者；
(2)如果鎖狀態空閑，且原子的比較并設置操作失敗，那么返回false，說明嘗試獲得鎖失敗；
(3)否則，檢查當前線程與鎖擁有者線程是否相等(表示一個線程已經獲得該鎖，再次要求該鎖，這種情況叫可重入鎖)，如果相等，維護鎖狀態，并返回true;
(4)如果不是以上情況，說明鎖已經被其他的線程持有，直接返回false;
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()) { //表示一個線程已經獲得該鎖，再次要求該鎖(重入鎖的由來)，為狀態位加acquires
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
3.1.3addWaiter分析
(1)如果tail節點不為null，說明隊列不為空，則把新節點加入到tail的后面，返回當前節點，否則進入enq進行處理(2)；
(2)如果tail節點為null，說明隊列為空，需要建立一個虛擬的頭節點，并把封裝了當前線程的節點設置為尾節點；另外一種情況的發生，是由于在(1)中的compareAndSetTail可能會出現失敗，這里采用for的無限循環，是要保證當前線程能夠正確進入等待隊列；
package java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
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) { //如果當前隊列不是空隊列，則把新節點加入到tail的后面，返回當前節點，否則進入enq進行處理。
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
package java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // tail節點為空，說明是空隊列，初始化頭節點，如果成功，返回頭節點
Node h = new Node(); // Dummy header
h.next = node;
node.prev = h;
if (compareAndSetHead(h)) {
tail = node;
return h;
}
}
else { //
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
3.1.4acquire分析
(1)如果當前節點是隊列的頭結點（如果第一個節點是虛擬節點，那么第二個節點實際上就是頭結點了），就嘗試在此獲取鎖tryAcquire(arg)。如果成功就將頭結點設置為當前節點（不管第一個結點是否是虛擬節點），返回中斷狀態。否則進行(2)。
(2)檢測當前節點是否應該park()-"掛起的意思"，如果應該park()就掛起當前線程并且返回當前線程中斷狀態。進行操作(1)。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} catch (RuntimeException ex) {
cancelAcquire(node);
throw ex;
}
}
3.1.5 shouldParkAfterFailedAcquire分析
(1)如果前一個節點的等待狀態waitStatus<0，也就是前面的節點還沒有獲得到鎖，那么返回true，表示當前節點（線程）就應該park()了。否則進行(2)。
(2)如果前一個節點的等待狀態waitStatus>0，也就是前一個節點被CANCELLED了，那么就將前一個節點去掉，遞歸此操作直到所有前一個節點的waitStatus<=0，進行(4)。否則進行(3)。
(3)前一個節點等待狀態waitStatus=0，修改前一個節點狀態位為SINGAL，表示后面有節點等待你處理，需要根據它的等待狀態來決定是否該park()。進行(4)。
(4)返回false，表示線程不應該park()。
注意：一個Node節點可包含以下狀態以及模式：
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */ 取消
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */ 信號等待(在AQS中，是通過LockSupport進行線程間信號交互的)
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */ 條件等待
static final int CONDITION = -2;
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */ 共享模式
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */ 獨占模式
static final Node EXCLUSIVE = null;
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int s = pred.waitStatus;
if (s < 0)
/**//*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park
*/
return true;
if (s > 0) {
/**//*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
}
else
/**//*
* Indicate that we need a signal, but don't park yet. Caller
* will need to retry to make sure it cannot acquire before
* parking.
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, 0, Node.SIGNAL);
return false;
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); //阻塞，即掛起；在沒有unpark之前，下面的代碼將不會執行；
return Thread.interrupted();//個人感覺，如果沒有外部的interrupt或者超時等，這里將始終返回false;
}
private static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
3.2FairSync.lock()分析
公平鎖相對與非公平鎖，在鎖的獲取實現上，差別只在FairSync提供自己的tryAcquire()的方法實現，代碼如下：
(1)如果鎖狀態為0，等待隊列為空，或者給定的線程在隊列的頭部，那么該線程獲得鎖；
(2)如果當前線程與鎖持有者線程相等，這種情況屬于鎖重入，鎖狀態加上請求數；
(3)以上兩種情況都不是，返回false，說明嘗試獲得鎖失敗；
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (isFirst(current) &&
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;
}
final boolean isFirst(Thread current) {
Node h, s;
return ((h = head) == null ||
((s = h.next) != null && s.thread == current) ||
fullIsFirst(current)); //頭為null，頭的下個節點不是空且該節點的線程與當前線程是相等的，
}
final boolean fullIsFirst(Thread current) {
// same idea as fullGetFirstQueuedThread
Node h, s;
Thread firstThread = null;//如果頭不為空，且頭的下個節點也不為空，且該節點的上一個節點是頭節點，且該節點的線程不為null
if (((h = head) != null && (s = h.next) != null &&
s.prev == head && (firstThread = s.thread) != null))
return firstThread == current;
Node t = tail;
while (t != null && t != head) {
Thread tt = t.thread;
if (tt != null)
firstThread = tt;
t = t.prev;
}
return firstThread == current || firstThread == null;
}
4.總結
ReentrantLock在采用非公平鎖構造時，首先檢查鎖狀態，如果鎖可用，直接通過CAS設置成持有狀態，且把當前線程設置為鎖的擁有者。
如果當前鎖已經被持有，那么接下來進行可重入檢查，如果可重入，需要為鎖狀態加上請求數。如果不屬于上面兩種情況，那么說明鎖是被其他線程持有，
當前線程應該放入等待隊列。
在放入等待隊列的過程中，首先要檢查隊列是否為空隊列，如果為空隊列，需要創建虛擬的頭節點，然后把對當前線程封裝的節點加入到隊列尾部。由于設置尾部節點采用了CAS，為了保證尾節點能夠設置成功，這里采用了無限循環的方式，直到設置成功為止。
在完成放入等待隊列任務后，則需要維護節點的狀態，以及及時清除處于Cancel狀態的節點，以幫助垃圾收集器及時回收。如果當前節點之前的節點的等待狀態小于1，說明當前節點之前的線程處于等待狀態(掛起)，那么當前節點的線程也應處于等待狀態(掛起)。掛起的工作是由LockSupport類支持的，LockSupport通過JNI調用本地操作系統來完成掛起的任務(java中除了廢棄的suspend等方法，沒有其他的掛起操作)。
在當前等待的線程，被喚起后，檢查中斷狀態，如果處于中斷狀態，那么需要中斷當前線程。
下一節《ReentrantLock源碼之一lock方法解析(鎖的釋放)》
posted on 2011-08-18 14:12
zhangxl 閱讀(19693)
評論(1) 編輯 收藏 所屬分類:
java 并發