Java 并发"锁"的本质(一步步实现锁)
前言
线程并发系列文章：
Java 线程基础
Java “优雅”地中断线程
Java 线程状态
真正理解Java Volatile的妙用
Java ThreadLocal你之前了解的可能有误
Java Unsafe/CAS/LockSupport 应用与原理
Java 并发"锁"的本质(一步步实现锁)
在上篇分析了CAS、线程挂起/唤醒相关知识后，常规的做法本篇就需要分析Synchronized与AQS的源码了。不过此次并不打算这样做，这么做就会陷入源码的枯燥讲解中，不了解前因后果，转折过于生硬。因此本篇先从实际需求一步步推导为什么需要"锁"？如何自己实现"锁"等步骤，最后才自然过渡到系统提供了哪些"锁"及其原理与应用。
通过本篇文章，你将了解到：
1、互斥访问变量
2、CAS访问变量
3、互斥访问临界区
4、线程挂起/唤醒策略
5、线程同步策略
6、总结
1、互斥访问变量
先看一段代码：
static int a = 0;
private static void inc() {
a++;
}
如上线程1、线程2同时访问这段代码，对共享变量a进行自增操作，我们知道a的结果是不可控的。
image.png
要想结果可控，那么要求线程不能同时对a进行操作，也就是需要对a进行互斥访问。
2、CAS访问变量
通过上篇文章分析可知，CAS可以实现互斥地访问共享变量，于是代码改为如下：
static AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
private static void inc() {
a.incrementAndGet();
}
AtomicInteger 里面包装了变量a，其底层通过CAS互斥访问变量a，因此实现了多线程互斥访问变量。
CAS 细节请移步：Java Unsafe/CAS/LockSupport 应用与原理
3、互斥访问临界区
以上分析的是多线程访问单个变量的场景，考虑另一种情况：当需要互斥访问的变量不仅是a、还有b、c等变量，你可能会这么做：
static AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
static AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);
static AtomicInteger c = new AtomicInteger(0);
private static void inc() {
a.incrementAndGet();
b.incrementAndGet();
c.incrementAndGet();
}
有多少共享变量就需要多少个AtomicInteger 封装。现在还只是有3个共享变量而已，若是有更多的呢？这么做显然无法满足更进一步的需求。
既然a、b、c都需要互斥访问，那么能否在入口处统一做互斥处理就好了呢？
image.png
进入临界区
对多个共享变量的操作放入到临界区，那么问题来了如何实现临界区的互斥访问呢？我们依旧想到了CAS。
设置共享变量x，初始值为0，每个想要进入临界区的线程都先要访问x，将x修改为1，若是成功，则能够进入临界区，否则一直死循环不断尝试修改。
用代码来实现如下：
static AtomicInteger x = new AtomicInteger(0);
static int a = 0;
static int b = 0;
static int c = 0;
private static void inc() {
//尝试将x从0修改为1，若是失败则一直重试
while(!x.compareAndSet(0, 1));
//走到这里说明已经修改成功
{
//临界区
a++;
b++;
c++;
}
}
当多个线程同时进入inc()方法后，先尝试修改x的值，若是成功则退出循环，否则一致尝试。当其中一个线程成功将x从0修改为1后，其它线程继续尝试此操作将会失败。而只有成功修改了x值的线程才能进入临界区，因此对于临界区的互斥访问已经实现了。
退出临界区
进入临界区的线程总有退出来的时候，退出时需要将x修改回来，以便其它线程能够进入临界区，因此再增加释放x的操作：
static AtomicInteger x = new AtomicInteger(0);
static int a = 0;
static int b = 0;
static int c = 0;
private static void inc() {
//尝试将x从0修改为1，若是失败则一直重试
while(!x.compareAndSet(0, 1));
//走到这里说明已经修改成功
{
//临界区
a++;
b++;
c++;
}
//此处不需要一直尝试，因为同一时刻始终只有一个线程访问
x.compareAndSet(1, 0);
}
由以上可知，进入临界区前先用CAS修改x的值，修改成功后进入临界区。当退出临界区后再用CAS修改x变回原来的值，这就实现了互斥访问临界区的过程。
想要对任何临界区进行访问，都可以使用这种方法，想一想这是不是相当于进临界区前先拿到"锁"，其它没拿到"锁"的线程一直尝试拿"锁"，当拥有锁的线程退出临界区后释放"锁"，其它就可以拿到"锁"了。
image.png
将"锁"的代码抽象出来，访问临界区如下：
static int a = 0;
static int b = 0;
static int c = 0;
//构造Lock对象
static Lock lock = new MyLock();
private static void inc() {
//获取锁
lock.lock();
{
//临界区
a++;
b++;
c++;
}
//释放锁
lock.unlock();
}
//抽象锁结构
interface Lock {
void lock();
void unlock();
}
static class MyLock implements Lock{
AtomicInteger x = new AtomicInteger(0);
@Override
public void lock() {
while(!x.compareAndSet(0, 1));
}
@Override
public void unlock() {
x.compareAndSet(1, 0);
}
}
因此互斥访问临界区的步骤：
1、获取锁
2、进入临界区
3、退出临界区
4、释放锁
4、线程挂起/唤醒策略
上面以两个线程访问临界区为例，当线程1成功获取锁进入临界区后，线程2拿不到锁但是会一直尝试。试想一下：
- 不只是两个线程竞争锁，而是很多线程同时竞争锁。
- 临界区执行时间很长，锁很难被释放出来。
那么没获取到锁的线程一直无限循环去尝试获取，如此一来很浪费CPU，能不能让没获取到锁的线程先挂起，当释放锁的时候再把它唤醒呢？
线程挂起
竞争锁失败的线程先将自己挂起，而其它释放锁的线程如何找到之前被挂起的线程呢？将挂起的线程放入队列里，当另一个线程释放锁后从队列里取出当初被挂起的线程并唤醒它，被唤醒的线程继续去竞争锁。
image.png
流程清晰了，看看如何用代码实现：
static class MyLock implements Lock{
AtomicInteger x = new AtomicInteger(0);
//阻塞队列
LinkedBlockingQueue<Thread> blockList = new LinkedBlockingQueue<>();
@Override
public void lock() {
//while 循环是为了线程被唤醒后继续竞争锁
while (true) {
if (x.get() > 0) {
//说明已经有线程正在持有锁
//此处暂时不考虑重入
} else {
//无锁状态
if (x.compareAndSet(0, 1)) {
//成功获取锁
return;
} else {
//获取锁失败
}
}
//走到此，说明没获取到锁
//加入队列
blockList.offer(Thread.currentThread());
//挂起线程
LockSupport.park();
}
}
}
上面是加锁的流程：
1、先判断当前锁是否可用，若是可用则获取锁。
2、若获取成功则退出，否则加入阻塞队列，并将自己挂起。
线程唤醒
再来看看，如何唤醒一个被挂起的线程：
@Override
public void unlock() {
if (x.get() > 0) {
//说明当前持有锁
//释放锁
x.compareAndSet(1, 0);
//从阻塞队列里取出线程唤醒
//此处取队头元素
Thread thread = blockList.poll();
if (thread != null) {
LockSupport.unpark(thread);
}
}
}
上面是解锁流程：
1、先判断当前是否持有锁，若是则释放锁。
2、释放锁后，从阻塞队列里取出线程唤醒。
持有锁的线程从阻塞队列唤醒阻塞的线程后，被唤醒的线程继续尝试竞争锁。
LockSupport 细节请移步：Java Unsafe/CAS/LockSupport 应用与原理
5、线程同步策略
上述分析的是多个线程互斥访问临界区，这些线程对临界区的操作仅仅是互斥，并没有其它依赖关系，想象一种场景：
1、线程1对变量a进行自增操作，当a增加到10的时候暂停自增。
2、线程2对变量b进行自减操作，当a减到0的时候暂停自减。
结合Java 线程基础，我们知道线程1和线程2具有同步关系，也知道线程同步需要加锁对条件变量进行互斥访问。因此，有如下关系：
image.png
从图上可以看出：
1、当需要等待的时候，走红色线条部分。将线程放入到等待队列里、释放锁，并唤醒阻塞队列里的线程。
2、当需要通知的时候，走绿色线条部分，将线程从等待队列里移除，并将之加入到阻塞队列里。
3、线程同步的过程比线程互斥过程新增了等待队列，该队列存储着因某种条件而挂起等待的线程。当另一个线程发现条件满足后，通知等待队列里的线程，让它继续做事。
在线程互斥代码的基础上，增加同步相关的代码：
首先
先抽象出等待-通知接口：
//抽象同步的等待、通知机制
interface Condition {
void waitCondition();
void notifyCondition();
}
其次
实现该接口：
static class MyLock implements Lock {
AtomicInteger x = new AtomicInteger(0);
//阻塞队列
LinkedBlockingQueue<Thread> blockList = new LinkedBlockingQueue<>();
public Condition newCondition() {
return new MyCondition();
}
@Override
public void lock() {
//while 循环是为了线程被唤醒后继续竞争锁
while (true) {
if (x.get() > 0) {
//说明已经有线程正在持有锁
//此处暂时不考虑重入
} else {
//无锁状态
if (x.compareAndSet(0, 1)) {
//成功获取锁
return;
} else {
//获取锁失败
}
}
//走到此，说明没获取到锁
//加入队列
blockList.offer(Thread.currentThread());
//挂起线程
LockSupport.park();
}
}
@Override
public void unlock() {
if (x.get() > 0) {
//说明当前持有锁
//释放锁
x.compareAndSet(1, 0);
//从阻塞队列里取出线程唤醒
//此处取队头元素
Thread thread = blockList.poll();
if (thread != null) {
LockSupport.unpark(thread);
}
}
}
class MyCondition implements Condition {
LinkedBlockingQueue<Thread> waitList = new LinkedBlockingQueue<>();
//等待-通知
@Override
public void waitCondition() {
//加入等待队列
waitList.add(Thread.currentThread());
//释放锁，让其它线程有机会获得锁
x.compareAndSet(1, 0);
Thread thread = blockList.poll();
if (thread != null) {
LockSupport.unpark(thread);
//挂起当前线程
LockSupport.park();
}
}
@Override
public void notifyCondition() {
//收到通知后，说明等待的条件满足了
//将线程从等待队列里移除
Thread thread = waitList.poll();
//并将该线程加入到阻塞队列里
if (thread != null)
blockList.offer(thread);
}
}
}
并提供获取该接口的方法：newCondition()。
最后
来看看如何使用它：
public static void main(String args[]) {
try {
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
inc();
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
sub();
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
} catch (Exception e) {
}
}
static int a = 0;
//构造Lock对象
static MyLock lock = new MyLock();
static Condition conditionInc = lock.newCondition();
static Condition conditionSub = lock.newCondition();
private static void inc() {
try {
while (true) {
//获取锁
lock.lock();
{
System.out.println("lock suc in " + Thread.currentThread().getName());
if (a < 10) {
a++;
conditionSub.notifyCondition();
System.out.println("notify: a:" + a + " in " + Thread.currentThread().getName());
} else {
//阻塞等待，并释放锁
System.out.println("wait: a:" + a + " in " + Thread.currentThread().getName());
conditionInc.waitCondition();
}
}
//释放锁
lock.unlock();
}
} catch (Exception e) {
}
}
private static void sub() {
try {
while (true) {
lock.lock();
System.out.println("lock suc in " + Thread.currentThread().getName());
if (a == 0) {
System.out.println("wait: a:" + a + " in " + Thread.currentThread().getName());
conditionSub.waitCondition();
} else {
a--;
conditionInc.notifyCondition();
System.out.println("notify: a:" + a + " in " + Thread.currentThread().getName());
}
lock.unlock();
}
} catch (Exception e) {
}
}
该Demo实现功能：
1、线程1对共享变量a进行自增，当a<10时一直自增，并通知线程2对a自减。当a>=10时，不再自增，在原地等待a的值变小。
2、线程2对共享变量进行自减，当a>0时一直自减，并通知线程1对a自增。
当a=0时，不再自减，在原地等待a的值变大。
3、通过waitCondition/notifyCondition 实现了两个线程之间的有序协作。实际上就是个典型的生产者-消费者模型。
需要注意的时：
当调用waitCondition 时候释放了锁，并唤醒了阻塞队列上的线程。
当调用notifyCondition 时候并没有释放锁，也没有唤醒阻塞队列上的线程。
6、总结
以上从线程互斥访问共享变量、CAS访问共享变量、线程互斥访问临界区、线程互斥锁、最后到线程同步，一步步阐述了"锁"的由来，以及如何实现"锁"。
当然这个"锁"只是一个最基本最简单的"锁"，没有考虑到重入、中断取消、公平与非公平抢占、一些竞争锁的性能提升等方面的问题。但是却是囊括了"锁"的基本思想：
线程挂起/唤醒 + CAS + 阻塞/等待队列
了解了基本思想，再去看系统提供的锁实现-->AQS、Synchronized，相信就能够轻松看懂了。
下篇正式进入AQS、Synchronized 的分析。
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