lesson3:java的锁机制原理和分析
jdk1.5之前，我们对代码加锁(实际是对象加锁)，都是采用Synchronized关键字来处理，jdk1.5及以后的版本中，并发编程大师Doug Lea在concurrrent包中提供了Lock机制。两种机制在性能上目前的jdk版本都差不多，Synchronized作为jvm的关键字，是在jvm层面实现的锁机制，而Lock机制是在java语言这个级别实现的锁机制，其实锁的核心原理都是为某个对象加锁。本文中将以Lock机制的源代码来分析锁机制的原理和实现，后面的demo代码也将按照Lock锁来展开。
demo源码：https://github.com/mantuliu/javaAdvance 中的类 Lesson3CoarseGrainedLock和Lesson3FinedGrainedLock
下面的斜体段落是java api中对Lock的描述：
Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。此实现允许更灵活的结构，可以具有差别很大的属性，可以支持多个相关的 Condition 对象。
锁是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。通常，锁提供了对共享资源的独占访问。一次只能有一个线程获得锁，对共享资源的所有访问都需要首先获得锁。不过，某些锁可能允许对共享资源并发访问，如 ReadWriteLock 的读取锁。
synchronized 方法或语句的使用提供了对与每个对象相关的隐式监视器锁的访问，但却强制所有锁获取和释放均要出现在一个块结构中：当获取了多个锁时，它们必须以相反的顺序释放，且必须在与所有锁被获取时相同的词法范围内释放所有锁。
虽然 synchronized 方法和语句的范围机制使得使用监视器锁编程方便了很多，而且还帮助避免了很多涉及到锁的常见编程错误，但有时也需要以更为灵活的方式使用锁。例如，某些遍历并发访问的数据结果的算法要求使用 "hand-over-hand" 或 "chain locking"：获取节点 A 的锁，然后再获取节点 B 的锁，然后释放 A 并获取 C，然后释放 B 并获取 D，依此类推。Lock 接口的实现允许锁在不同的作用范围内获取和释放，并允许以任何顺序获取和释放多个锁，从而支持使用这种技术。
随着灵活性的增加，也带来了更多的责任。不使用块结构锁就失去了使用 synchronized 方法和语句时会出现的锁自动释放功能。在大多数情况下，应该使用以下语句：
Lock l = ...;
l.lock();
try {
// access the resource protected by this lock
} finally {
l.unlock();
}
锁定和取消锁定出现在不同作用范围中时，必须谨慎地确保保持锁定时所执行的所有代码用 try-finally 或 try-catch 加以保护，以确保在必要时释放锁。
Lock 实现提供了使用 synchronized 方法和语句所没有的其他功能，包括提供了一个非块结构的获取锁尝试 (tryLock())、一个获取可中断锁的尝试 (lockInterruptibly()) 和一个获取超时失效锁的尝试 (tryLock(long, TimeUnit))。
Lock 类还可以提供与隐式监视器锁完全不同的行为和语义，如保证排序、非重入用法或死锁检测。如果某个实现提供了这样特殊的语义，则该实现必须对这些语义加以记录。
注意，Lock 实例只是普通的对象，其本身可以在 synchronized 语句中作为目标使用。获取 Lock 实例的监视器锁与调用该实例的任何 lock() 方法没有特别的关系。为了避免混淆，建议除了在其自身的实现中之外，决不要以这种方式使用 Lock 实例。
除非另有说明，否则为任何参数传递 null 值都将导致抛出 NullPointerException。
内存同步
所有 Lock 实现都必须 实施与内置监视器锁提供的相同内存同步语义，如 The Java Language Specification, Third Edition (17.4 Memory Model) 中所描述的:
- 成功的
lock操作与成功的 Lock 操作具有同样的内存同步效应。 - 成功的
unlock操作与成功的 Unlock 操作具有同样的内存同步效应。
不成功的锁定与取消锁定操作以及重入锁定/取消锁定操作都不需要任何内存同步效果。
实现注意事项
三种形式的锁获取（可中断、不可中断和定时）在其性能特征、排序保证或其他实现质量上可能会有所不同。而且，对于给定的 Lock 类，可能没有中断正在进行的 锁获取的能力。因此，并不要求实现为所有三种形式的锁获取定义相同的保证或语义，也不要求其支持中断正在进行的锁获取。实现必需清楚地对每个锁定方法所提供的语义和保证进行记录。还必须遵守此接口中定义的中断语义，以便为锁获取中断提供支持：完全支持中断，或仅在进入方法时支持中断。
由于中断通常意味着取消，而通常又很少进行中断检查，因此，相对于普通方法返回而言，实现可能更喜欢响应某个中断。即使出现在另一个操作后的中断可能会释放线程锁时也是如此。实现应记录此行为。
Lock接口的实现类有：ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock.ReadLock, ReentrantReadWriteLock.WriteLock；本文将以ReentrantLock的源码来分析内部实现原理：
a.lock()方法
public void lock() {
sync.lock();//调用sync对象的lock()方法
}
下面看看sync对象的创建过程及它的lock()方法
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();//我们发现实现sync对象的类是NonfairSync
}
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() {
/*调用unsafe的compareAndSwapInt方法(原子操作)，如果Lock对象存储的对象值是0(与第一个参数值相同)，则将此值设置为1(与第二个参数值相同)，反之，则返回失败*/
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置当前线程为锁的持有者
else
acquire(1);//当前线程等待其它线程释放锁
}
}
b.tryLock()方法：仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁
public boolean tryLock() {
return sync.nonfairTryAcquire(1);//尝试获取锁
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();//获取到当前线程
int c = getState();//获取锁的状态
if (c == 0) {//0表示锁未被占用
if (compareAndSetState(0, acquires)) {//调用unsafe的compareAndSwapInt方法(原子操作)，标识此锁为已经占有状态
setExclusiveOwnerThread(current);//设置当前线程占有锁
return true;//标识获取锁成功
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//如果当前线程在之前已经持有过此锁，并且没有释放
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);//标识同一个线程占用此锁几次
return true;
}
return false;
}
c.tryLock(long time, TimeUnit unit)方法，介于lock()和tryLock()方法之间，如果锁已经被其它线程占用，则会等待一段时间
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout)); } public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); return tryAcquire(arg) || //调用NonfairSync的tryAcquire(方法)，与上面的tryLock()方法调用的nonfairTryAcquire()一致 doAcquireNanos(arg, nanosTimeout); }
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
long lastTime = System.nanoTime();//按纳秒返回当前时间
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);//创建一个节点并入队列来等待锁
boolean failed = true;
try {
for (;;) {//一直循环
final Node p = node.predecessor();//返回当前节点的前一个等待节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果前一个节点已经是head节点，则试图去获取锁，如果获取到了，则执行下面的代码
setHead(node);//设置当前节点为队列中的头节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
if (nanosTimeout <= 0)
return false;//超时返回失败
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
long now = System.nanoTime();
nanosTimeout -= now - lastTime;
lastTime = now;
if (Thread.interrupted())//线程被中断了
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
d.lockInterruptibly()方法，可以相应线程中断的去获取锁，如果线程被中断了，则抛出异常
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);//调用acquireInterruptibly
}
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())//如果线程被中断了，则抛出异常
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))////调用NonfairSync的tryAcquire(方法)，与上面的tryLock()方法调用的nonfairTryAcquire()一致
doAcquireInterruptibly(arg);
}
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //检测线程是否被中断
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
e.unlock()方法，释放锁，通常只有持有锁的线程才能释放锁成功
public void unlock() { sync.release(1); } public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
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;
}
上面的代码分析了ReentrantLock的非公平锁的实现，在实现的使用过程中，锁和线程是息息相关的，如果我们把线程比作高速公路上的车道，那么行驶在高速公路上的车辆就是我们实际的代码(操作)，因为路况或其它原因，各条车道需要并线，为防止意外发生，在一定时间内只能有一条车道或几条路上的车可以通过(代码上了锁)，为保证通行时间，有两点需要注意：1是车辆通过的速度要快(线程占用锁的时间要少)，2是在高速公路的车道数足够多的情况下，要尽可能的将车道分成多个小组，各个小组内部交替通行，小组与小组之间不影响。总结起来，在使用锁的情况下，要想对系统的性能影响足够小：1.锁的粒度要足够小，尽量减少同时使用同一把锁的线程数量；2.加锁的线程执行时间要足够快。下面的demo从粒度的角度展示了锁对于性能的影响：
先来看看粗粒度的锁，100个线程锁同一个资源，每个线程执行1秒钟的情况:
package com.mantu.advance;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* blog http://www.cnblogs.com/mantu/
* github https://github.com/mantuliu/
* @author mantu
*
*/
public class Lesson3CoarseGrainedLock implements Runnable{
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String args[]){
for(int i=0;i<100;i++){
Thread thread =new Thread(new Lesson3CoarseGrainedLock());
thread.start();
}
}
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();//100个线程使用同一个锁，每个时刻只能有一个线程执行
Thread.sleep(1000);
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
finally{
lock.unlock();
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getId()+"执行完毕");
}
}
}
再来看看细粒度锁的demo，每10个线程分为一个组，组内的线程才会存在资源竞争的情况，执行完代码后，会发现效率比上一个demo提升了非常多
package com.mantu.advance;
import java.util.HashMap;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* blog http://www.cnblogs.com/mantu/
* github https://github.com/mantuliu/
* @author mantu
*
*/
public class Lesson3FinedGrainedLock implements Runnable{
public static HashMap<Integer,ReentrantLock> lockMap = new HashMap<Integer,ReentrantLock>();
public static void main(String args[]){
init();
for(int i=0;i<100;i++){
Thread thread =new Thread(new Lesson3FinedGrainedLock());
thread.start();
}
}
public static void init(){
for(int i=0;i<10;i++){
lockMap.put(new Integer(i),new ReentrantLock());
}
}
@Override
public void run() {
ReentrantLock lock = Lesson3FinedGrainedLock.lockMap.get((int)(Thread.currentThread().getId())%10);
try {
lock.lock();//细粒度的锁，效率提高非常多
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
finally{
lock.unlock();
System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getId()+"执行完毕");
}
}
}
