第5章 Java的锁
基本概念：
锁：控制多线程并发访问资源；
队列同步器：管理同步状态，实现锁；
同步状态：同步器的操作对象，int类型；
同步队列：同步器通过同步队列管理同步状态；
同步器实现锁：
1.自定义同步器；
2.同步器定义如何获取、释放同步状态；
3.锁通过同步器来实现语义；
public class Mutex implements Lock {
//自定义的同步器
static class MySyncer extends AbstractQueuedSynchronizer {
//独占式获取同步状态
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
if(compareAndSetState(0, 1)){
//设置当前线程独占同步器
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
//独占式释放同步状态
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
if(getState() == 0)
throw new IllegalMonitorStateException();
//设置同步器无占用线程
setExclusiveOwnerThread(null);
//设置同步状态为0
setState(0);
return true;
}
//同步器是否被独占
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
Condition newCondition(){
return new ConditionObject();
}
}
//同步器对象,用来实现锁
private final MySyncer syncer = new MySyncer();
@Override
public void lock() {
syncer.acquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock() {
return syncer.tryAcquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return syncer.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
syncer.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public void unlock() {
syncer.release(1);
}
@Override
public Condition newCondition() {
return syncer.newCondition();
}
}
同步器get/update同步状态：
getState(); //获取同步状态
setState(); //设置同步状态
compareAndSetState(int expect, int update); //CAS设置同步状态，保证原子性
同步器acquire/release同步状态（可重写）：
//模板方法调用，非阻塞
tryAcquire(int arg); //独占式占用同步状态
tryRelease(int arg); //独占式释放同步状态
tryAcquireShared(int arg); //共享式占用同步状态
tryReleaseShared(int arg); //共享式释放同步状态
注：单词get与acquire区别，get指直接获取，acquire指通过努力后获取/占用；
同步器的模板方法（不可重写）：
锁通过同步器对象直接调用模板方法来实现语义；
模板方法调用上面tryXxxx(int arg)方法来实现状态占用/释放；
//独占式，阻塞式
acquire(int arg); //独占式占用同步状态
acquireInterruptibly(int arg); //独占式，可响应中断
tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimesout); //独占式，可响应中断，超时等待
release(int arg); //独占式释放同步状态
//共享式，阻塞式
acquireShared(int arg); //共享式占用同步状态
acquireSharedInterruptibly(int arg); //共享式，可响应中断
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimesout); //共享式， 可响应中断，超时等待
releaseShared(int arg);//共享式释放同步状态
注：阻塞式指同步器未获取同步状态时线程会阻塞，非阻塞指线程不会阻塞；
同步队列：
FIFO同步队列
1.同步队列是由Node组成的链表；
2.当线程获取锁失败时，就把thread及等待状态信息包装成node插入队列尾部，并更改tail节点，通过CAS操作保证并发性；
3.当head节点的线程释放锁时，就唤醒其next节点，next节点获取同步状态成功时就把自己设为head节点；
独占式（共享式）占用和释放同步状态：
独占式/共享式占用同步状态流程图
区别：同一时刻，独占式只有一个线程可以获取同步状态，而共享式可以有多个线程获取同步状态；
相同点：第一次获取同步状态失败后都生成节点，插入同步队列尾部；都是通过自旋来获取同步状态；前驱为头节点时才能获取到同步状态；
自定义同步主键TwinsLock-双线程锁：
同一时刻有两个线程可以持有锁，即同步器共享式占用同步状态，且同步状态数为2；
public class TwinsLock implements Lock {
//同步器对象
private Syncer syncer = new Syncer(2);
static class Syncer extends AbstractQueuedSynchronizer {
//初始化同步状态的数量
public Syncer(int stateCount) {
setState(stateCount);
}
//共享式获取同步状态,非阻塞
@Override
protected int tryAcquireShared(int arg) {
for (; ; ) {
int currentState = getState();
int newState = currentState - 1;
if (newState < 0 || compareAndSetState(currentState, newState))
return newState;
}
}
//共享式释放同步状态,非阻塞
@Override
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
for (; ; ) {
int currentState = getState();
if (compareAndSetState(currentState, currentState + 1))
return true;
}
}
}
//加锁
@Override
public void lock() {
//acquireShared()会调用tryAcquireShared()
syncer.acquireShared(1);
}
//释放锁
@Override
public void unlock() {
syncer.releaseShared(1);
}
}
lock()调用模板方法acquireShared()共享式获取同步状态， red()调用用户自定义的tryAcquireShared()来获取同步状态，若获取成功，则线程拥有了锁；若tryAcquireShared()获取同步状态失败，则把线程及其状态包装成node插入同步队列的尾部，并进行自旋来获取同步状态；自旋过程中，当node的前置节点是head节点且释放同步状态后，当前节点就调用tryAcquireShared()来获取同步状态，若获取成功则表示线程拥有了锁，若获取失败则继续自旋；
重入锁：
重入锁指线程获取到锁后能够再次获取该锁，而不会被锁阻塞；
公平模式：
锁的获取顺序符合请求的绝对时间顺序；
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
//同步状态
int c = getState();
if (c == 0) {
//锁未被任何线程占用
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//没有更早的线程处于WAITTING状态，且当前线程获取同步状态成功
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//锁被当前线程占用
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
非公平模式：
有新线程请求锁时，先争夺一下锁，没成功再去排队；排队之后依然满足FIFO规则，即前面节点的线程先获取锁；
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
//同步状态
int c = getState();
if (c == 0) {
//锁未被任何线程占用
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//当前线程获取同步状态成功
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//锁被当前线程占用
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
总结：公平和非公平模式下调用lock()获取锁时，调用acquire()模板方法，acquire()方法首先都调用tryAcquire(1)第一次尝试获取同步状态，若锁此刻锁未被占用，则公平模式下会判断是否有更早的线程处于WAITTING状态，若有则第一次尝试获取锁失败，若没有则尝试获取同步状态；而非公平模式下则直接尝试获取同步状态，不考虑是否有更早的线程是否处于WAITTING状态；公平模式和非公平模式在第一次尝试获取同步状态失败后，都会把线程及其状态包装成node插入FIFO同步队列尾部，之后通过自旋来获取同步状态，公平和非公平模式下都需要等待前置节点来唤醒自己；
性能对比：公平锁具有大量的线程切换，因此其吞吐性不如非公平锁；
读写锁：
排它锁：同一时刻只能有一个线程获取锁（如ReentrantLock）；
1.读锁是非排它锁，同一时刻可以有多个读线程获取锁；但是写线程获取锁时，所有读线程和其它写线程均被阻塞；
2.读写锁是一对锁，包括读锁(可重入共享锁)和写锁(可重入排它锁)；
3.包括公平模式和非公平模式；
4.支持重进入，且在获取写锁后还能获取读锁，但获取读锁后不能获取写锁；
5.在读多于写的情况下，读写锁比排它锁具有更好的吞吐性；
读写状态的设计：
整型变量的高16位表示读、低16位表示写，则线程获取读锁后，同步状态S=S+(1<<16)，线程获取写锁后，同步状态S=S+1；
写锁的获取与释放：
写锁获取成功的条件：1.写锁此刻被当前线程拥有；2.读锁or写锁此刻没被任何线程拥有；否则获取写锁失败，线程进入WAITTING状态；
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
/*
* Walkthrough:
* 1. If read count nonzero or write count nonzero
* and owner is a different thread, fail.
* 2. If count would saturate, fail. (This can only
* happen if count is already nonzero.)
* 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if
* it is either a reentrant acquire or
* queue policy allows it. If so, update state
* and set owner.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
//存在读锁or写锁
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
//存在读锁or不是当前线程获取写锁，则获取写锁失败
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// Reentrant acquire
//之前是当前线程获取的写锁，因此不存在并发问题，不需要CAS操作
setState(c + acquires);
return true;
}
//之前没任何线程获取读锁or写锁，此刻可能有多个写线程并发请求写锁，需要CAS操作设置同步状态
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
//当前线程首次获取同步状态成功
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
读锁的获取与释放：
读锁获取成功的条件：1.写锁此刻被当前线程拥有；2.写锁此刻没被任何线程拥有；否则获取写锁失败，线程进入WAITTING状态；
只要"其它线程拥有写锁"的情况不出现,则当前线程就不断尝试获取同步状态，而不是进入等待状态，是因为当前线程此刻仍然具有获取读锁的资格，而不用等待资格；但是当其它线程拥有写锁时，则当前线程获取同步状态失败，失去获取读锁的资格，退出for循环，进入WAITTING状态，并把线程及其状态包装成node插入FIFO同步队列尾部，之后通过自旋来获取同步状态
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
//只要"其它线程拥有写锁"的情况不出现,则当前线程就不断尝试获取同步状态，
for (; ; ) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
int nextC = c + (1 << 16);
if (nextC < c)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread())
//存在写锁(写状态不为0),且写锁拥有线程不是当前线程,则获取读锁失败
return -1;
if (compareAndSetState(c, nextC))
//获取读锁成功
return 1;
}
}
锁降级：
锁降级的过程：拥有写锁->预处理(写/改)数据->拥有读锁->释放写锁->使用(读)数据->释放读锁，即读锁降级到写锁；
占用读锁，释放写锁，读数据，这样做有两个好处：1.使用(读)数据期间，其它数据只读的线程可以获取到读锁，而不至于堵塞，提高了效率；2.保证使用(读)数据的过程中数据是没有发生变化的，因为在释放读锁前，其它线程无法获取写锁来更改数据；
public class LockDown {
static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock readLock = lock.readLock();
static Lock writeLock = lock.writeLock();
static class Thread1 implements Runnable{
//线程是否完成了数据准备的更新
static volatile boolean update = false;
@Override
public void run() {
}
public void processData(){
readLock.lock();
if(update == false){
readLock.unlock();
writeLock.lock();
try {
//预处理(写/改)数据
prepareData();
update = true;
//先获取读锁
readLock.lock();
}finally {
//然后释放写锁
writeLock.unlock();
}
}
try {
//使用(读)数据
useData();
}finally {
//最后释放读锁
readLock.unlock();
}
}
public void prepareData(){}
public void useData(){}
}
}
注：Java不支持锁升级，锁升级会引起死锁；
LockSupport工具：
LockSupport工具类定义了一组public static方法，用来阻塞当前线程、唤醒被阻塞的线程；
void park(); //阻塞当前线程
void unpark(Thread thread); //唤醒阻塞的线程thread
void park(Object blocker); //blocker是当前线程等待的对象(阻塞对象，锁对象？？)
Condition接口：
提供锁的监视器方法：await()、signal()、signalAll()，用于线程间通信；
//Condition对象通过Lock对象创建
Condition condition = lock.newCondition();
等待队列：
当线程调用condition.await()方法时，就把线程及其状态包装成node插入等待队列的尾部，此刻线程进入WAITTING状态；
等待队列与同步队列不同之处：
1.同步队列是线程获取获取锁(同步状态失败)时插入的队列，等待队列是线程调用wait()方法时插入的队列；2.同步队列是双链表，而等待队列是单链表；3.一个Condition对象对应一个等待队列，一个Lock对象可以有多个Condition对象，即可以拥有多个等待队列，但只能拥有一个同步队列；
等待队列与与同步队列相同之处：
1.共用同步器的静态内部类AbstractQueuedSynchronized.Node来生成节点；2.链表结构相似；
等待队列的结构：
单向FIFO链表，head节点指向链表的头，tail节点指向链表的尾；
等待队列的结构
线程进入等待状态：
线程进入等待状态
1.同步队列head节点的线程构造新节点并加入等待队列；2.释放同步状态；3.唤醒后继节点；4.进入等待状态；
线程被通知：
线程被通知
1.等待队列的head节点移动到同步队列的尾节点上，线程从WAITTING状态进入BLOCKED状态；2.唤醒线程去竞争同步状态；3.非同步队列的首节点，获取同步状态失败，再次阻塞；4.最终通过自旋获取同步状态成功后从await()返回，此刻线程成功获取了锁；
