ReentrantLock原理学习
2018-11-18 本文已影响0人
老王子H
基于AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）这个抽象类实现，AQS实现了主体逻辑，使用的模板方法模式。不同的实现类具体实现不同。
AQS结构
// 头结点，理解为当前持有锁的线程
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾节点，每个新的节点进来，都插入到最后，形成一个链表
private transient volatile Node tail;
// 代表当前锁的状态，0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁
// 之所以说大于0，而不是等于1，是因为锁可以重入，每次重入都加上1
private volatile int state;
// 代表当前持有独占锁的线程，举个最重要的使用例子，因为锁可以重入
// reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次，所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer
等待队列中每个线程被包装成一个Node，等待队列不包含头结点，是一个链表。
image.png
Node 的数据结构，就是 thread + waitStatus + pre + next 四个属性
waitStatus：每个新的node入队时，waitStatu都是0，-1代表当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒，大于0代表此线程取消了等待。
获取锁过程：
1.首先调用tryAcquire，如果返回true, 也就结束了，成功获取锁，将state值加1，exclusiveOwnerThread设置为当前线程。因为是可重入的，所以当前线程调用几次lock，成功的话state值就会加几，到时候释放锁的时候也得调用相应次数的unlock，将state值减为0。
2.如果返回false，证明这次尝试失败，将自身线程包装成Node加入等待队列，设置自己的前驱为队列的尾节点，用CAS将自己设置为队尾。如果CAS失败，采用自旋的方式多试几次，直到成功。加入队列成功后，判断一下当前节点是否是头节点，如果是的话，还可以再次尝试获取锁一次，如果失败或者不是头节点，需要将线程挂起，等待前驱节点唤醒。（前驱节点获取锁之后会唤醒后继节点）
3.调用LockSupport.park(this)方法挂起线程
// 争锁
final void lock() {
acquire(1);
}
// 来自父类AQS
public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1
// 首先调用tryAcquire(1)一下,这个只是试一试
// 可能直接就成功了，也就不需要进队列排队了
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)没有成功，这个时候需要把当前线程挂起，放到阻塞队列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
// 尝试直接获取锁，返回值是boolean，代表是否获取到锁
// 返回true：1.没有线程在等待锁；2.重入锁，线程本来就持有锁，也就可以理所当然可以直接获取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// state == 0 此时此刻没有线程持有锁
if (c == 0) {
// 虽然此时此刻锁是可以用的，但是这是公平锁，既然是公平，就得讲究先来后到，
// 看看有没有别人在队列中等了半天了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果没有线程在等待，那就用CAS尝试一下，成功了就获取到锁了，
// 不成功的话，只能说明一个问题，就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了 compareAndSetState(0, acquires)) {
// 到这里就是获取到锁了
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 会进入这个else if分支，说明是重入了，需要操作：state=state+1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 如果到这里，说明前面的if和else if都没有返回true，说明没有获取到锁
// 回到上面一个外层调用方法继续看:
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
return false;
}
// 假设tryAcquire(arg) 返回false，那么代码将执行：
// acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，
// 这个方法，首先需要执行：addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
// 此方法的作用是把线程包装成node，同时进入到队列中
// 参数mode此时是Node.EXCLUSIVE，代表独占模式
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 以下几行代码想把当前node加到链表的最后面去，也就是进到阻塞队列的最后
Node pred = tail;
// tail!=null => 队列不为空(tail==head的时候，其实队列是空的，不过不管这个吧)
if (pred != null) {
// 设置自己的前驱 为当前的队尾节点
node.prev = pred;
// 用CAS把自己设置为队尾, 如果成功后，tail == node了
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
// 线程入队了返回
return node;
}
}
// 如果会到这里 说明 pred==null(队列是空的) 或者 CAS失败(有线程在竞争入队)
enq(node);
return node;
}
// 采用自旋的方式入队
// 到这个方法只有两种可能：等待队列为空，或者有线程竞争入队，
// CAS设置tail过程中，竞争一次竞争不到，就多次竞争，总会排到
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 队列为空也会进来这里
if (t == null) { // Must initialize
// 初始化head节点
// 还是一步CAS 现在可能是很多线程同时进来呢
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 给后面用：这个时候head节点的waitStatus==0, 看new Node()构造方法就知道了
// 这个时候有了head，但是tail还是null，设置一下，
// 把tail指向head，马上就有线程要来了，到时候tail就要被抢了
// 这里只是设置了tail=head，这里可没return
// 所以，设置完了以后，继续for循环，下次就到下面的else分支了
tail = head;
} else {
// 下面几行，和上一个方法 addWaiter 是一样的，
// 只是这个套在无限循环里，反正就是将当前线程排到队尾，有线程竞争的话排不上重复排
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
// 回到这段代码
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
// 正常下面应该返回false
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//当前的head不属于任何一个线程，所以作为队头，可以去试一试，
// tryAcquire就是简单用CAS试操作一下state
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
// 到这里是没有抢到锁，这个方法说的是："当前线程没有抢到锁，是否需要挂起当前线程？"
// 第一个参数是前驱节点，第二个参数才是代表当前线程的节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 前驱节点的 waitStatus == -1 ，说明前驱节点状态正常，当前线程需要挂起，直接可以返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 前驱节点 waitStatus大于0 说明前驱节点取消了排队
// 进入阻塞队列排队的线程会被挂起，而唤醒的操作是由前驱节点完成的。
// 下面这块代码说的是将当前节点的prev指向waitStatus<=0的节点
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//每个新的node入队时，waitStatu都是0
// 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
解锁过程
1.tryRelease方法，主要是将state递减1，当state==0的时候，解锁成功，如果是锁重入了，那么这次减1就不会返回true。
如果方法返回true。然后是唤醒后继节点。
2.调用LockSupport.unpark(s.thread)唤醒线程
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;
}
// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否完全释放锁
boolean free = false;
// 重入的问题，如果c==0，也就是说没有嵌套锁了，可以释放了，否则还不能释放掉
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
// 唤醒后继节点
// 从上面调用处知道，参数node是head头结点
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
// 如果head节点当前waitStatus<0, 将其修改为0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 下面的代码就是唤醒后继节点，但是有可能后继节点取消了等待（waitStatus==1）
// 从队尾往前找，找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从后往前找，仔细看代码，不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 唤醒线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
参考资料：一行一行源码分析清楚AQS
