一文带你理解Java中Lock的实现原理

内容纲要

简介: 当多个线程需要访问某个公共资源的时候,我们知道需要通过加锁来保证资源的访问不会出问题。java提供了两种方式来加锁,一种是关键字:synchronized,一种是concurrent包下的lock锁。

当多个线程需要访问某个公共资源的时候,我们知道需要通过加锁来保证资源的访问不会出问题。java提供了两种方式来加锁,一种是关键字:synchronized,一种是concurrent包下的lock锁。synchronized是java底层支持的,而concurrent包则是jdk实现。关于synchronized的原理可以阅读再有人问你synchronized是什么,就把这篇文章发给他。

在这里,我会用尽可能少的代码,尽可能轻松的文字,尽可能多的图来看看lock的原理。

我们以ReentrantLock为例做分析,其他原理类似。

我把这个过程比喻成一个做菜的过程,有什么菜,做法如何?

我先列出lock实现过程中的几个关键词:计数值、双向链表、CAS+自旋

使用例子

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class App {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        final int[] counter = {0};

        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        for (int i= 0; i < 50; i++){

            new Thread(new Runnable() {

                @Override

                public void run() {

                    lock.lock();

                    try {

                        int a = counter[0];

                        counter[0] = a + 1;

                    }finally {

                        lock.unlock();

                    }

                }

            }).start();

        }

        // 主线程休眠,等待结果

        Thread.sleep(5000);

        System.out.println(counter[0]);

    }

}

在这个例子中,开50个线程同时更新counter。分成三块来看看源码(初始化、获取锁、释放锁)

实现原理
ReentrantLock() 干了啥

 /**

     * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.

     * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.

     */

    public ReentrantLock() {

        sync = new NonfairSync();

    }

在lock的构造函数中,定义了一个NonFairSync,

static final class NonfairSync extends Sync 

NonfairSync 又是继承于Sync

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer

一步一步往上找,找到了
这个鬼AbstractQueuedSynchronizer(简称AQS),最后这个鬼,又是继承于AbstractOwnableSynchronizer(AOS),AOS主要是保存获取当前锁的线程对象,代码不多不再展开。
最后我们可以看到几个主要类的继承关系。

file

FairSync 与 NonfairSync的区别在于,是不是保证获取锁的公平性,因为默认是NonfairSync,我们以这个为例了解其背后的原理。

其他几个类代码不多,最后的主要代码都是在AQS中,我们先看看这个类的主体结构。

AbstractQueuedSynchronizer是个什么

file

再看看Node是什么?

file

看到这里的同学,是不是有种热泪盈眶的感觉,这尼玛,不就是双向链表么?我还记得第一次写这个数据结构的时候,发现居然还有这么神奇的一个东西。

最后我们可以发现锁的存储结构就两个东西:"双向链表" + "int类型状态"。
需要注意的是,他们的变量都被"transient和volatile修饰。

file

一个int值,一个双向链表是如何烹饪处理锁这道菜的呢,Doug Lea大神就是大神,我们接下来看看,如何获取锁?

lock.lock()怎么获取锁?

/**

 * Acquires the lock.

 */
public void lock() {

    sync.lock();

}

可以看到调用的是,NonfairSync.lock()

file

看到这里,我们基本有了一个大概的了解,还记得之前AQS中的int类型的state值,这里就是通过CAS(乐观锁)去修改state的值。lock的基本操作还是通过乐观锁来实现的。

获取锁通过CAS,那么没有获取到锁,等待获取锁是如何实现的?我们可以看一下else分支的逻辑,acquire方法:

public final void acquire(int arg) {

    if (!tryAcquire(arg) &&

        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

        selfInterrupt();

}

这里干了三件事情:

  • tryAcquire:会尝试再次通过CAS获取一次锁。

  • addWaiter:将当前线程加入上面锁的双向链表(等待队列)中

  • acquireQueued:通过自旋,判断当前队列节点是否可以获取锁。

addWaiter 添加当前线程到等待链表中

file

可以看到,通过CAS确保能够在线程安全的情况下,将当前线程加入到链表的尾部。
enq是个自旋+上述逻辑,有兴趣的可以翻翻源码。

acquireQueued

file

可以看到,当当前线程到头部的时候,尝试CAS更新锁状态,如果更新成功表示该等待线程获取成功。从头部移除。

file

最后简要概括一下,获取锁的一个流程

file

lock.unlock() 释放锁

public void unlock() {

    sync.release(1);

}

可以看到调用的是,NonfairSync.release()

file

最后有调用了NonfairSync.tryRelease()

file

基本可以确认,释放锁就是对AQS中的状态值State进行修改。同时更新下一个链表中的线程等待节点。

总结
lock的存储结构:一个int类型状态值(用于锁的状态变更),一个双向链表(用于存储等待中的线程)

lock获取锁的过程:本质上是通过CAS来获取状态值修改,如果当场没获取到,会将该线程放在线程等待链表中。

lock释放锁的过程:修改状态值,调整等待链表。

可以看到在整个实现过程中,lock大量使用CAS+自旋。因此根据CAS特性,lock建议使用在低锁冲突的情况下。目前java1.6以后,官方对synchronized做了大量的锁优化(偏向锁、自旋、轻量级锁)。因此在非必要的情况下,建议使用synchronized做同步操作。

最后,希望我的分析,能对你理解锁的实现有所帮助。

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