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一步步透彻理解Lock的Acquire和Release原理源码

萧十郎
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Java中已知的锁有两种,一种是synchronized,另一种是Lock;这两种的基本原理在之前的文章中已经做了分析:

深入理解Synchronized实现原理
java AQS的实现原理

这次我们从最常用的Lock也就是ReentrantLock的Acquire和Release锁的过程入手,一步一步的跟源代码,探究获取锁和释放锁的步骤。

获取锁

ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
lock.lock();
1.lock()

上面代码是我们常用的获取锁的方式:调用ReentrantLock 的lock()方法,默认情况下ReentrantLock是一个非公平锁,类名NonfairSync,属于ReentrantLock的内部类,我们来看源码:

static final class NonfairSync extends Sync {        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());            else
                acquire(1);
        }        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

这里的lock方法先去通过CAS操作将state的值从0变为1,(注:ReentrantLock用state表示“持有锁的线程已经重复获取该锁的次数”。当state等于0时,表示当前没有线程持有锁),如果成功,就设置ExclusiveOwnerThread的值为当前线程(Exclusive是独占的意思,ReentrantLock用exclusiveOwnerThread表示“持有锁的线程”)。
如果设置失败,说明state>0已经有线程持有了锁,此时执行acquire(1)再请求一次锁。

2.acquire()
/**
     * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
     * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
     * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
     * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
     * #tryAcquire} until success.  This method can be used
     * to implement method {@link Lock#lock}.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     */
    public final void acquire(int arg) {        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

这里我们注意一下acquire方法上面的注释,已经说得很清楚了,这里我大概说下我的理解:

请求独占锁,忽略所有中断,至少执行一次tryAcquire,如果成功就返回,否则线程进入阻塞--唤醒两种状态切换中,直到tryAcquire成功。

我们对里面的tryAcquire(),、addWaiter()、acquireQueued()挨个分析。
在这个方法里先执行tryAcquire(arg):

3.tryAcquire()
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()) {                int nextc = c + acquires;                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);                return true;
            }            return false;
        }

先判断state是否为0,如果为0就执行上面提到的lock方法的前半部分,通过CAS操作将state的值从0变为1,否则判断当前线程是否为exclusiveOwnerThread,然后把state++,也就是重入锁的体现,我们注意前半部分是通过CAS来保证同步,后半部分并没有同步的体现,原因是:

后半部分是线程重入,再次获得锁时才触发的操作,此时当前线程拥有锁,所以对ReentrantLock的属性操作是无需加锁的。

如果tryAcquire()获取失败,则要执行addWaiter()向等待队列中添加一个独占模式的节点

4.addWaiter()
/**
     * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
     *
     * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
     * @return the new node
     */
    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) {
            node.prev = pred;            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;                return node;
            }
        }
        enq(node);        return node;
    }

这个方法的注释:创建一个入队node为当前线程,Node.EXCLUSIVE 是独占锁, Node.SHARED 是共享锁。
先找到等待队列的tail节点pred,如果pred!=null,就把当前线程添加到pred后面进入等待队列,如果不存在tail节点执行enq()

private Node enq(final Node node) {        for (;;) {
            Node t = tail;            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;                    return t;
                }
            }
        }
    }

这里进行了循环,如果此时存在了tail就执行同上一步骤的添加队尾操作,如果依然不存在,就把当前线程作为head结点。
插入节点后,调用acquireQueued()进行阻塞

5.acquireQueued()
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {        boolean failed = true;        try {            boolean interrupted = false;            for (;;) {                final Node p = node.predecessor();                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);
        }
    }

先获取当前节点的前一节点p,如果p是head的话就再进行一次tryAcquire(arg)操作,如果成功就返回,否则就执行shouldParkAfterFailedAcquire、parkAndCheckInterrupt来达到阻塞效果;

6.shouldParkAfterFailedAcquire()
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {        int ws = pred.waitStatus;        if (ws == Node.SIGNAL)            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;        if (ws > 0) {            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  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, ws, Node.SIGNAL);
        }        return false;
    }

addWaiter()构造的新节点,waitStatus的默认值是0。此时,进入最后一个if判断,CAS设置pred.waitStatus为SIGNAL==-1。最后返回false。

回到第五步acquireQueued()中后,由于shouldParkAfterFailedAcquire()返回false,会继续进行循环。假设node的前继节点pred仍然不是头结点或锁获取失败,则会再次进入shouldParkAfterFailedAcquire()。上一轮循环中,已经将pred.waitStatus设置为SIGNAL==-1,则这次会进入第一个判断条件,直接返回true,表示应该阻塞。

7.parkAndCheckInterrupt()
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);        return Thread.interrupted();
    }

很显然,一旦shouldParkAfterFailedAcquire返回true也就是应该阻塞,就会执行parkAndCheckInterrupt()来达到阻塞效果,此时线程阻塞在这里,需要其它线程来唤醒,唤醒后就会再次循环第5步acquireQueued里的请求逻辑。

我们回到第6步,看一个留下的逻辑片段

if (ws > 0) {            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        }

什么时候会遇到ws > 0的case呢?当pred所维护的获取请求被取消时(也就是node的waitStatus 值为CANCELLED),这时就会循环移除所有被取消的前继节点pred,直到找到未被取消的pred。移除所有被取消的前继节点后,直接返回false。

8.cancelAcquire()

到这里我们回到第5步可以看到主体逻辑基本走完了,在该方法的finally里有一个cancelAcquire()方法

private void cancelAcquire(Node node) {        // Ignore if node doesn't exist
        if (node == null)            return;

        node.thread = null;        // Skip cancelled predecessors
        Node pred = node.prev;        while (pred.waitStatus > 0)
            node.prev = pred = pred.prev;        // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
        // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
        // or signal, so no further action is necessary.
        Node predNext = pred.next;        // Can use unconditional write instead of CAS here.
        // After this atomic step, other Nodes can skip past us.
        // Before, we are free of interference from other threads.
        node.waitStatus = Node.CANCELLED;        // If we are the tail, remove ourselves.
        if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
            compareAndSetNext(pred, predNext, null);
        } else {            // If successor needs signal, try to set pred's next-link
            // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
            int ws;            if (pred != head &&
                ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
                 (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
                pred.thread != null) {
                Node next = node.next;                if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                    compareAndSetNext(pred, predNext, next);
            } else {
                unparkSuccessor(node);
            }

            node.next = node; // help GC
        }
    }

也就是在第5步的执行过程中,如果出现异常或者出现中断,就会执行finally的取消线程的请求操作,核心代码是node.waitStatus = Node.CANCELLED;将线程的状态改为CANCELLED。

释放锁

1.release()
/**
     * Releases in exclusive mode.  Implemented by unblocking one or
     * more threads if {@link #tryRelease} returns true.
     * This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.
     *
     * @param arg the release argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     * @return the value returned from {@link #tryRelease}
     */
    public final boolean release(int arg) {        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);            return true;
        }        return false;
    }

我们还是通过方法上面的注释来理解一下:
释放独占锁,如果tryRelease成功返回true的话就会解开阻塞等待的线程
显然,tryRelease方法来释放锁,如果释放成功,先判断head节点是否有效,最后unparkSuccessor启动后续等待的线程。

2.tryRelease()
protected final boolean tryRelease(int releases) {            int c = getState() - releases;            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())                throw new IllegalMonitorStateException();            boolean free = false;            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);            return free;
        }

先获取state减去释放的一次,然后判断当前线程是否和持有锁线程一致,如果不一致,抛出异常,继续判断state的值,只有当值为0时,free标志才置为true,否则说明是重入锁,需要多次释放直到state为0。

3.unparkSuccessor()
private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        Node s = node.next;        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

这个方法名:启动后续线程,先拿到head节点的waitStatus并清空,然后获取next节点,并做检查,如果next节点失效,就从等待队列的尾部进行轮询,拿到第一个有效的节点,然后通过LockSupport.unpark(s.thread);唤醒,令该线程重新进入到获取锁的第5步循环去acquire锁。

疑惑点

1.我们在获取锁的很多步骤中看到tryAcquire的操作,原因是当获取一次失败后,程序会去执行失败后的逻辑代码,但是在执行过程中有可能锁的状态也同时发生了变化(释放锁、pred节点失效等情况),这时候需要去tryAcquire一下,省去了阻塞再唤醒的成本。
2.等待队列的waitStatus属性使用很多,在这里我们先读一下源码注释:

/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
        static final int CANCELLED =  1;        /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
        static final int SIGNAL    = -1;        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;        /**
         * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
         * unconditionally propagate
         */
        static final int PROPAGATE = -3;        /**
         * Status field, taking on only the values:
         *   SIGNAL:     The successor of this node is (or will soon be)
         *               blocked (via park), so the current node must
         *               unpark its successor when it releases or
         *               cancels. To avoid races, acquire methods must
         *               first indicate they need a signal,
         *               then retry the atomic acquire, and then,
         *               on failure, block.
         *   CANCELLED:  This node is cancelled due to timeout or interrupt.
         *               Nodes never leave this state. In particular,
         *               a thread with cancelled node never again blocks.
         *   CONDITION:  This node is currently on a condition queue.
         *               It will not be used as a sync queue node
         *               until transferred, at which time the status
         *               will be set to 0. (Use of this value here has
         *               nothing to do with the other uses of the
         *               field, but simplifies mechanics.)
         *   PROPAGATE:  A releaseShared should be propagated to other
         *               nodes. This is set (for head node only) in
         *               doReleaseShared to ensure propagation
         *               continues, even if other operations have
         *               since intervened.
         *   0:          None of the above
         *
         * The values are arranged numerically to simplify use.
         * Non-negative values mean that a node doesn't need to
         * signal. So, most code doesn't need to check for particular
         * values, just for sign.
         *
         * The field is initialized to 0 for normal sync nodes, and
         * CONDITION for condition nodes.  It is modified using CAS
         * (or when possible, unconditional volatile writes).
         */
        volatile int waitStatus;

SIGNAL:后续线程正在阻塞,所以当前node在释放锁时必须启动后续线程,为了避免竞争激烈,acquire 方法第一次执行需要一个信号,也就是这个启动信号。
CANCELLED:这个node失效了,因为超时或者被中断等原因。
CONDITION:这个node当前是属于条件锁
PROPAGATE:这个node是共享锁节点,他需要进行唤醒传播



作者:激情的狼王
链接:https://www.jianshu.com/p/e4301229f59e


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