【java并发】juc高级锁机制探讨

最近在看一些juc相关的设计和源码，接上文：【java并发】基于JUC CAS原理,自己实现简单独占锁

本文探讨一下juc里面提供的一些高级锁机制和基本原理。

JUC高级锁机制简介

Juc提供了高级锁的一些特性和应用，如：

ReentrantLock：和synchronized具有差不多的语义，独占锁，同时只有一个线程能获得锁。

ReentrantReadWriteLock：读写锁。读允许共享，写独占。适用于读频繁的场景。

CountDownLatch:闭锁。使用场景类似比赛鸣枪，在没有鸣枪之前所有的运动员(线程)都必须等待。说白了就是使用于一个或多个线程等待某一个条件成立了，触发运行。

Semaphore：信号量。使用场景类似通行证，通行证数量有限，拿到证的才能通行。

CyclicBarrier:周期障碍。语义上和CountDownLatch有点类似，只有几个线程打到一个共同的状态之后，触发后续动作继续。不同在于1.达到共同状态后，可以指定一个后续触发的线程对象。2.周期性意味着可以周期运行。

FutureTask：带有返回值的异步执行。

至于各种锁机制使用场景这里不赘述，后面还有机会加一些例子。

以上不同的锁机制和使用场景，不管我们我们叫锁、闭锁、信号量等等。抽象之后都有一种共同的语义：

多线程并发的执行，之间通过某种共享状态来同步，只有当状态满足xxxx条件，才能触发线程执行xxxx。

这个共同的语义可以称之为同步器。可以认为以上所有的锁机制都可以基于同步器定制来实现的。

如果要实现一个特定场景的锁来同步线程的执行，其实并不难，如上文【java并发】基于JUC CAS原理,自己实现简单独占锁。而juc里的思想是将这些场景抽象出来的语义通过统一的同步框架来支持。

juc里所有的这些锁机制都是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架上构建的。下面简单介绍下AQS（AbstractQueuedSynchronizer）。 可以参考Doug Lea的论文The java.util.concurrent Synchronizer Framework

AQS框架

AbstractQueuedSynchronizer是一个抽象类，里面定义了同步器的基本框架，实现了基本的结构功能。只留有状态条件的维护由具体同步器根据具体场景来定制，如上面提到的ReentrantLock、RetrantReadWriteLock和CountDownLatch等等。

一个同步器至少需要包含两个功能：

1. 获取同步状态

如果允许，则获取锁，如果不允许就阻塞线程，直到同步状态允许获取。

2. 释放同步状态

修改同步状态，并且唤醒等待线程。

根据作者论文，aqs同步机制同时考虑了如下需求：

1. 独占锁和共享锁两种机制。

2. 线程阻塞后，如果需要取消，需要支持中断。

3. 线程阻塞后，如果有超时要求，应该支持超时后中断的机制。

实现涉及基本技术原理

1. 状态位

提供volatile变量 state; 用于同步线程之间的共享状态。通过CAS和volatile保证其原子性和可见性。对应源码里的定义：

Java代码


/**
* 同步状态
*/
private volatile int state;

/**
*cas
*/
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

2. 线程阻塞和唤醒

有别于wait和notiry。这里利用jdk1.5开始提供的LockSupport.park()和LockSupport.unpark()的本地方法实现，实现线程的阻塞和唤醒。

3. 阻塞线程节点队列 CHL Node queue。

根据论文里描述，AQS里将阻塞线程封装到一个内部类Node里。并维护一个CHL Node FIFO队列。CHL队列是一个非阻塞的FIFO队列，也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和CAS保证节点插入和移除的原子性。实现无锁且快速的插入。关于非阻塞算法可以参考
Java 理论与实践: 非阻塞算法简介。CHL队列对应代码如下：

Java代码


/**
* CHL头节点
*/
rivate transient volatile Node head;
/**
* CHL尾节点
*/
private transient volatile Node tail;

Node节点是对Thread的一个封装，结构大概如下：

Java代码


static final class Node {
/** 代表线程已经被取消*/
static final int CANCELLED = 1;
/** 代表后续节点需要唤醒 */
static final int SIGNAL = -1;
/** 代表线程在等待某一条件/
static final int CONDITION = -2;
/** 标记是共享模式*/
static final Node SHARED = new Node();
/** 标记是独占模式*/
static final Node EXCLUSIVE = null;

/**
* 状态位 ，分别可以使CANCELLED、SINGNAL、CONDITION、0
*/
volatile int waitStatus;

/**
* 前置节点
*/
volatile Node prev;

/**
* 后续节点
*/
volatile Node next;

/**
* 节点代表的线程
*/
volatile Thread thread;

/**
*连接到等待condition的下一个节点
*/
Node nextWaiter;

}

AQS源码

AQS实现了一个同步器的基本结构，下面以独占锁和非独占锁区分来看看AQS的几个主要方法：

独占模式

独占获取：tryAcquire本身不会阻塞线程，如果返回true成功就继续，如果返回false那么就阻塞线程并加入阻塞队列。

Java代码


public final void acquire(int arg) {

if (!tryAcquire(arg) &&

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//获取失败，则加入等待队列

selfInterrupt();

}

独占且可中断模式获取：支持中断取消

Java代码


public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {

if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))

doAcquireInterruptibly(arg);

}

独占且支持超时模式获取：带有超时时间，如果经过超时时间则会退出。

Java代码


public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {

if (Thread.interrupted())

throw new InterruptedException();

return tryAcquire(arg) ||

doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);

独占模式释放：释放成功会唤醒后续节点

Java代码


public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}

共享模式

共享模式获取

Java代码


public final void acquireShared(int arg) {

if (tryAcquireShared(arg) < 0)

doAcquireShared(arg);

可中断模式共享获取

Java代码


public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

共享模式带定时获取

Java代码


public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

共享锁释放

Java代码


public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}

注意以上框架只定义了一个同步器的基本结构框架，的基本方法里依赖的tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared 、tryReleaseShared四个方法在AQS里没有实现，这四个方法不会涉及线程阻塞，而是由各自不同的使用场景根据情况来定制:

Java代码


protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();

}
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}

从以上源码可以看出AQS实现基本的功能：

AQS虽然实现了acquire，和release方法是可能阻塞的，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的且是不阻塞的可。以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现。所以可以认为同步器实现了一下功能：

1.同步器基本范式、结构

2.状态获取、释放成功或失败的后续行为，如线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

状态获取、释放动作本身是由子类来定义的。

还有以下一些私有方法，用于辅助完成以上的功能：

final boolean acquireQueued(final Nodenode, int arg) ：申请队列

private Node enq(final Node node) :入队

private Node addWaiter(Node mode) ：以mode创建创建节点，并加入到队列

private void unparkSuccessor(Node node) ： 唤醒节点的后续节点，如果存在的话。

private void doReleaseShared() ：释放共享锁

private void setHeadAndPropagate(Node node,int propagate)：设置头，并且如果是共享模式且propagate大于0，则唤醒后续节点。

private void cancelAcquire(Node node) ：取消正在获取的节点

private static void selfInterrupt()：自我中断

private final booleanparkAndCheckInterrupt() ：park并判断线程是否中断

从源码可以看出AQS实现基本的功能：

1.同步器基本范式、结构

2.线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

AQS虽然实现了acquire，和release方法，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的。可以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现。

ReentrantLock原理

有了AQS基础，下面来看ReentrantLock的基本原理：

ReentrantLock原理

由于同步器里已经定义了基本的结构，包括获取、释放、和阻塞队列维护和管理等。ReentrantLock是一个独占互斥锁，里只需要实现TryAcquire、TryRelease等方法，告诉同步器是否获取和释放状态成功。其他的后续行为都由AQS框架完成。由于ReentrantLock是一个可重入的独占锁，所以同步器状态可以直接根据是否==0来判断是否可用。

ReentrantLock主要提供lock和unlcok两个方法。

而lock和unlock正是基于AQS的一个子类同步器来实现。里面sync同步器有两种实现，一种是公平锁，一种是非公平锁。默认是非公平锁，看看非公平锁实现tryAcquire

Java代码


final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {//如果状态位为0，那么尝试获取
if (compareAndSetState(0, acquires)) {//基于CAS获取和修改状态
setExclusiveOwnerThread(current);//成功则设置当前线程为独占执行线程
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//当前线程已是执行线程
int nextc = c + acquires;//累加
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;//其他情况下代表获取失败

再看看公平锁的tryAcquire

Java代码


protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (isFirst(current) &&
compareAndSetState(0, acquires)) {//判断是否是第一个线程，是的话才尝试获取锁
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

可以看看 非公平锁的不会根据FIFO，而公平锁会判断是否是第一个线程，根据FIFO来执行。