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目录前言管程管程模型MESA模型主要特点AQS共享变量资源访问方式主要方法队列node节点等待状态ReentrantLock源码分析实例化ReentrantLock加锁A线程加锁成功
如今多线程编程已成为了现代软件开发中的重要部分,而并发编程中的线程同步问题更是一道难以逾越的坎。在Java语言中,synchronized是最基本的同步机制,但它也存在着许多问题,比如可重入性不足、死锁等等。为了解决这些问题,Java提供了更加高级的同步机制——ReentrantLock。
管程(Monitor)是一种用于实现多线程同步的抽象数据类型,它可以用来协调不同线程之间的互斥和同步访问共享资源。通俗地说,管程就像一个门卫,控制着进入某个共享资源区域的线程数量和时间,以避免多个线程同时访问导致的数据竞争和混乱。
在Java中,采用的是基于Mesa管程模型实现的管程机制。具体地,Java中的synchronized
关键字就是基于Mesa管程模型实现的,包括Java中的AbstractQueuedSynchronizer(AQS)可以被看作是一种基于管程模型实现的同步框架。
MESA模型采用了互斥访问的机制,即同一时刻只能有一个线程进入管程执行代码。
MESA模型还引入了条件变量的概念,用于实现线程间的等待和唤醒操作。条件变量提供了一种机制,使得线程可以在等待某个条件成立时挂起,并在条件成立时被唤醒。
MESA模型使用等待队列来维护处于等待状态的线程,这些线程都在等待条件变量成立。等待队列由一个或多个条件变量组成,每个条件变量都有自己的等待队列。
MESA模型要求管程中的所有操作都是原子操作,即一旦进入管程,就不能被中断,直到操作执行完毕。
在讲ReentrantLock之前先说一下AQS,AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java中的一个同步器,它是许多同步类(如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等)的基础。AQS提供了一种实现同步操作的框架,其中包括独占模式和共享模式,以及一个等待队列来管理线程的等待和唤醒。AQS也借鉴了Mesa模型的思想。
AQS内部维护了属性volatile int state表示资源的可用状态
state三种访问方式:
Exclusive-独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock
Share-共享,多个线程可以同时执行,如Semaphore/CountDownLatch
在ReentrantLock中有一个内部类Sync会继承 AQS然后将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法。
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
ReentrantLock还提供了一个传布尔值的实例化方式,这个传true用来创建一个公平锁的,默认是创建非公平锁。非公平锁的话 sync是用NonfairSync来进行实例化,公平锁sync是用FairSync来进行实例化。
现在假设有AB两个线程来竞争锁
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
final void lock() {
//CAS修改state状态
if (compareAndSetState(0, 1))
//修改成功设置exclusiveOwnerThread
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//尝试获取资源
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
假定A线程先CAS修改成功,他会设置exclusiveOwnerThread为A线程
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
我们先看tryAcquire()方法,这里体现出了他的可重入性。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前资源标识
int c = getState();
if (c == 0) {
//如果资源没被占有CAS尝试加锁
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//修改成功设置exclusiveOwnerThread
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//资源被占有要判断占有资源的线程是不是当前线程,加锁成功设置的exclusiveOwnerThread值在这里就派上了用处
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//这下面就是将重入次数设置到资源标识里
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
根据上面源码我们可以看出B线程尝试加锁是失败的,接下来看尝试加锁失败后的方法acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg),该方法实现分为两个部分:
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
:该方法会将当前线程加入到等待队列(即 Sync
中的 queue
)的尾部,并返回该节点。这个节点的模式是独占模式(Node.EXCLUSIVE
),表示当前线程想要获取独占锁。acquireQueued(Node node, int arg)
:该方法是一个循环方法,用于等待和获取锁。我们先解析addWaiter
private Node addWaiter(Node mode) {
//构建一个当前线程的node节点 这里prev 和 next 都为null
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 指向双向链表的尾节点的引用
Node pred = tail;
//B线程进来目前还未构建任何队列这里肯定是空的
if (pred != null) {
//如果已经构建过队列会把当前线程的node节点的上一个node节点指向tail尾节点
node.prev = pred;
//CAS操作把当前线程的node节点设置为新的tail尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
//把旧的tail尾节点的下一个node节点指向当前线程的node节点
pred.next = node;
return node;
}
}
//尾节点为空执行
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
//死循环当tail 尾节点不为空才会跳出
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
//用CAS构建出一个head空的node节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
//将当前空的node节点交给尾节点(下一次循环就会走else分支)
tail = head;
} else {
//把我们addWaiter中创建的node节点的prev指向了当前线程node节点
node.prev = t;
//将tail尾节点更改为当前线程的node节点
if (compareAndSetTail(t, node)) {
//将t的下一个节点指向当前线程创建的node节点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
执行完这里初步的一个等待队列就构建好了
解析完addWaiter我们再来解析acquireQueued,addWaiter执行完后的结果会返回一个双向列表的node节点
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
//中断标志位
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//获取当前线程node节点的上一个节点
final Node p = node.predecessor();
//如果上一个节点就是head节点说明当前线程其实是处在队列第一位然后就会再次尝试加锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//这里是重点 这个方法来判断当前线程是否应该进入等待状态
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//调用LockSupport.park(this)阻塞了当前线程等待被唤醒
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取上一个节点的等待状态
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)//表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行
return true;
if (ws > 0) {//当前线程被取消
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);//设置等待状态为-1
}
return false;
}
运行到parkAndCheckInterrupt()B线程就会被阻塞了,后续的逻辑我们在解锁操作unlock之后再继续说
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
//尝试释放锁
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//head节点不为空并且等待状态不是0就去进行unpark操作
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
//head节点等待状态
int ws = node.waitStatus;
//
if (ws < 0)
//将头节点的等待状态修改为0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//获取头节点的下一个节点(也就是B节点)
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {//节点为空或者线程处于取消状态
s = null;
//从尾节点往上找符合条件的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
//对该线程进行unpark唤醒(B节点)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
唤醒之后我们的B线程就能继续往下走了,我们继续看刚刚的acquireQueued()方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//这里尝试获取锁由于A线程释放了锁这里是肯定获取成功的
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//把head设置为当前节点(也就是往前移一位,并且把上一个节点指向指为null)
setHead(node);
//把刚刚的上一个节点也指向为null (这里他就没引用了会被GC回收掉)
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//刚刚在这里阻塞现在被唤醒
parkAndCheckInterrupt())
//设置标志中断位为true 然后开始下一次循环
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
以上就是ReentrantLock从源码解析Java多线程同步学习的详细内容,更多关于Java多线程ReentrantLock的资料请关注编程网其它相关文章!
--结束END--
本文标题: ReentrantLock从源码解析Java多线程同步学习
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