Java并发编程的艺术笔记（五）——Java中的锁

一.Lock接口的几个功能：

显示的获取和释放锁

尝试非阻塞的获取锁

能被中断的获取锁

超时获取锁

使用方式：

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
} finally {
lock.unlock();
}

Lock的API

二.AQS

定义：用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。是实现锁的关键。

同步器的设计是基于模板方法模式的，也就是说，使用者需要继承同步器并重写指定的方法，随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中，并调用同步器提供的模板方法，而这些

模板方法将会调用使用者重写的方法。

重写同步器指定的方法时，需要使用同步器提供的如下3个方法来访问或修改同步状态。

·getState()：获取当前同步状态。

·setState(int newState)：设置当前同步状态。

·compareAndSetState(int expect,int update)：使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。

同步器提供的模板方法基本上分为3类：独占式获取与释放同步状态、共享式获取与释放、同步状态和查询同步队列中的等待线程情况。

队列同步器的实现：

1.同步队列

 

同步器提供了一个基于CAS的设置尾节点的方法：compareAndSetTail(Node expect,Nodeupdate)，它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点，只有设置成功后，当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。

同步器的addWaiter()方法：

    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // 快速尝试在尾部添加
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

    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;
                }
            }
        }
    }

节点进入同步队列之后，就进入了一个自旋的过程，每个节点（或者说每个线程）都在自省地观察，当条件满足，获取到了同步状态，就可以从这个自旋过程中退出，否则依旧留在这个自旋过程中（并会阻塞节点的线程）

 

 三.重入锁

支持一个线程对资源的重复加锁，还支持公平与非公平的获取锁。下面着重分析ReentrantLock

实现重进入：锁识别获取锁的是不是当前占据这个锁的线程，是则成功获取锁。

锁释放：进入时加1，释放时减1。

公平锁与非公平锁：是否遵循FIFO。

默认非公平锁：nonfairTryAcquire(int acquires)方法，当一个线程请求锁时，只要获取了同步状态即成功获取锁。好处：线程切换次数少，减少开销。

//获取同步状态，成功则获取锁
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)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

通过判断当前线程是否为获取锁的线程来决定获取操作是否成功，如果是获取锁的线程再次请求，则将同步状态值进行增加并返回true，表示获取同步状态成功

释放同步状态时减少同步状态值：

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;
}

如果该锁被获取了n次，那么前(n-1)次tryRelease(int releases)方法必须返回false，而只有同步状态完全释放了，才能返回true。可以看到，该方法将同步状态是否为0作为最终释放的条件，当同步状态为0时，将占有线程设置为null，并返回true，表示释放成功。

//公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
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;
}

公平锁与非公平锁的不同：判断条件多了

hasQueuedPredecessors()方法，即加入了同步队列中当前节点是否有前驱节点的判断，如果该方法返回true，则表示有线程比当前线程更早地请求获取锁，因此需要等待前驱线程获取并释放锁之后才能继续获取锁。

非公平锁减少线程切换的次数，减少了开销，增大了吞吐量。

 

四.读写锁

读写锁是非独占锁，维护了一对锁，一个读锁一个写锁，通过锁的分类使并发性得到了提高。

实现：ReentrantReadWriteLock。

读写锁使用方式：

public class Cache {
static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock r = rwl.readLock();
static Lock w = rwl.writeLock();
// 获取一个key对应的value
public static final Object get(String key) {
r.lock();
try {
return map.get(key);
} finally {
r.unlock();
}
}
// 设置key对应的value，并返回旧的value
public static final Object put(String key, Object value) {
w.lock();
try {
return map.put(key, value);
} finally {
w.unlock();
}
}
// 清空所有的内容
public static final void clear() {
w.lock();
try {
map.clear();
} finally {
w.unlock();
}
}
}

4.1 读写状态的设计：维护多个读线程，一个写线程。“按位切割使用”变量，32位，高16位表示读，低16位表示写。

 

读写锁是如何迅速确定读和写各自的状态呢？答案是通过位运算。假设当前同步状态值为S，写状态等于S&0x0000FFFF（将高16位全部抹去），读状态等于S>>>16（无符号补0右移16位）。当写状态增加1时，等于S+1，当读状态增加1时，等于S+(1<<16)，也就是S+0x00010000。

根据状态的划分能得出一个推论：S不等于0时，当写状态（S&0x0000FFFF）等于0时，则读状态（S>>>16）大于0，即读锁已被获取。

 

4.2 写锁的获取与释放

写锁是一个支持重进入的排他锁。如果当前线程已经获取了写锁，则增加锁状态。如果在获取写锁时，读锁已经被获取(读状态不为0)或者该线程不是获取写锁的线程，则等待。

 

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        int w = exclusiveCount(c);
        if (c != 0) {
            // 存在读锁或者当前获取线程不是已经获取写锁的线程
            if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                return false;
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(c + acquires);
            return true;
        }
        if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) {
            return false;
        }
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }

 

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，当写状态为0时表示写锁已被释放，从而等待的读写线程能够继续访问读写锁，同时前次写线程的修改对

后续读写线程可见。

 

4.3读锁的获取与释放

读锁是一个支持重进入的共享锁。如果当前线程已经获取了读锁则增加读状态，如果当前线程在获取读锁时写锁被其他线程获取，则等待。

读状态是所有线程获取读锁次数的总和，而每个线程各自获取读锁的次数只能选择保存在ThreadLocal中，由线程自身维护，这使获取读锁的实现变得复杂。

 

4.4锁降级

写锁变为读锁。是指获取（当前拥有的）写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。

public void processData() {
        readLock.lock();
        if (!update) {
            // 必须先释放读锁，为了保持可见性
            readLock.unlock();
            // 锁降级从写锁获取到开始
            writeLock.lock();
            try {
                if (!update) {
                    // 准备数据的流程（略）
                    update = true;
                }
                readLock.lock();
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
            // 锁降级完成，写锁降级为读锁
        }
        try {
            // 使用数据的流程（略）
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

 五. Condition接口

等待/通知机制的两种实现方式:

1.wait/notify 不够精细，生产者和消费者之间可能是没有联系的

2.Condition结合Lock

从本质上来说，Condition是对Object监视器的场景性能优化

调用方式：

直接调用，如condition.await()

package concurrent;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionDemo {

    public static void main(String[] args) {
        final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        final Condition condition = lock.newCondition();
        
        new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待信号");
                
                try {
                    //当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，
                    //当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。
                    condition.await();
                } catch (Exception e) {
                    
                }
                
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到信号");
                lock.unlock();
            }
        },"线程1").start();
        
        new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
                
                try {
                    System.out.println("睡3秒");
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (Exception e) {
                    
                }
                
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "发出信号");
                condition.signal();
                lock.unlock();
            }
        },"线程2").start();
    }

}

打印日志：

线程1拿到锁了
线程1等待信号
线程2拿到锁了
睡3秒
线程2发出信号
线程1拿到信号

强大之处：

1. 一个lock对象可以通过多次调用 lock.newCondition() 获取多个Condition对象，也就是说，在一个lock对象上，可以有多个等待队列，而Object的等待通知在一个Object上，只能有一个等待队列。

2.可响应中断

Condition的实现是同步器的内部类，因此每个Condition实例都能够访问同步器提供的方法，相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。

当调用await()方法时，相当于同步队列的首节点（获取了锁的节点）移动到Condition的等待队列中。

 

public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 当前线程加入等待队列
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放同步状态，也就是释放锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

 

同步队列的首节点并不会直接加入等待队列，而是通过addConditionWaiter()方法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。

signal()

public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }