Take To

Appearance

ReentrantLock原理 ​

锁对比 ​

ReentrantLock 相对于 synchronized 具备如下特点：

  1. 锁的实现：synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的

  2. 性能：新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同

  3. 使用：ReentrantLock 需要手动解锁，synchronized 执行完代码块自动解锁

  4. 可中断：ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行

  5. 公平锁：公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁

    • ReentrantLock 可以设置公平锁，synchronized 中的锁是非公平的
    • 不公平锁的含义是阻塞队列内公平，队列外非公平

  6. 锁超时：尝试获取锁，超时获取不到直接放弃，不进入阻塞队列

    • ReentrantLock 可以设置超时时间，synchronized 会一直等待

  7. 锁绑定多个条件：一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象，更细粒度的唤醒线程

  8. 两者都是可重入锁

使用锁 ​

构造方法：ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

ReentrantLock 类 API：

  • public void lock()：获得锁
    • 如果锁没有被另一个线程占用，则将锁定计数设置为 1
    • 如果当前线程已经保持锁定，则保持计数增加 1
    • 如果锁被另一个线程保持，则当前线程被禁用线程调度，并且在锁定已被获取之前处于休眠状态
  • public void unlock()：尝试释放锁
    • 如果当前线程是该锁的持有者，则保持计数递减
    • 如果保持计数现在为零，则锁定被释放
    • 如果当前线程不是该锁的持有者，则抛出异常

基本语法：

java
// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    // 释放锁
    reentrantLock.unlock();
}

公平锁 ​

基本使用 ​

构造方法：ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true)

java
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock 默认是不公平的：

java
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

公平锁一般没有必要，会降低并发度

非公原理 ​

加锁 ​

NonfairSync 继承自 AQS

java
public void lock() {
    sync.lock();
}

  • 没有竞争：ExclusiveOwnerThread 属于 Thread-0，state 设置为 1

    java
    // ReentrantLock.NonfairSync#lock
final void lock() {
    // 用 cas 尝试（仅尝试一次）将 state 从 0 改为 1, 如果成功表示【获得了独占锁】
    if (compareAndSetState(0, 1))
        // 设置当前线程为独占线程
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);//失败进入
}

  • 第一个竞争出现：Thread-1 执行，CAS 尝试将 state 由 0 改为 1，结果失败（第一次），进入 acquire 逻辑

    java
    // AbstractQueuedSynchronizer#acquire
public final void acquire(int arg) {
    // tryAcquire 尝试获取锁失败时, 会调用 addWaiter 将当前线程封装成node入队，acquireQueued 阻塞当前线程，
    // acquireQueued 返回 true 表示挂起过程中线程被中断唤醒过，false 表示未被中断过
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        // 如果线程被中断了逻辑来到这，完成一次真正的打断效果
        selfInterrupt();
}

An image

  • 进入 tryAcquire 尝试获取锁逻辑，这时 state 已经是1，结果仍然失败（第二次），加锁成功有两种情况：

    • 当前 AQS 处于无锁状态
    • 加锁线程就是当前线程，说明发生了锁重入
    java
    // ReentrantLock.NonfairSync#tryAcquire
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}
// 抢占成功返回 true，抢占失败返回 false
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // state 值
    int c = getState();
    // 条件成立说明当前处于【无锁状态】
    if (c == 0) {
        //如果还没有获得锁，尝试用cas获得，这里体现非公平性: 不去检查 AQS 队列是否有阻塞线程直接获取锁        
      if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 获取锁成功设置当前线程为独占锁线程。
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
         }    
  }    
      // 如果已经有线程获得了锁, 独占锁线程还是当前线程, 表示【发生了锁重入】
  else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 更新锁重入的值
        int nextc = c + acquires;
        // 越界判断，当重入的深度很深时，会导致 nextc < 0，int值达到最大之后再 + 1 变负数
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 更新 state 的值，这里不使用 cas 是因为当前线程正在持有锁，所以这里的操作相当于在一个管程内
        setState(nextc);
        return true;
    }
    // 获取失败
    return false;
}

  • 接下来进入 addWaiter 逻辑，构造 Node 队列（不是阻塞队列），前置条件是当前线程获取锁失败，说明有线程占用了锁

    • 图中黄色三角表示该 Node 的 waitStatus 状态，其中 0 为默认正常状态
    • Node 的创建是懒惰的，其中第一个 Node 称为 Dummy（哑元）或哨兵，用来占位，并不关联线程
    java
    // AbstractQueuedSynchronizer#addWaiter，返回当前线程的 node 节点
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式   
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    // 快速入队，如果 tail 不为 null，说明存在队列
    if (pred != null) {
        // 将当前节点的前驱节点指向 尾节点
        node.prev = pred;
        // 通过 cas 将 Node 对象加入 AQS 队列，成为尾节点，【尾插法】
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;// 双向链表
            return node;
        }
    }
    // 初始时队列为空，或者 CAS 失败进入这里
    enq(node);
    return node;
}
    java
    // AbstractQueuedSynchronizer#enq
private Node enq(final Node node) {
    // 自旋入队，必须入队成功才结束循环
    for (;;) {
        Node t = tail;
        // 说明当前锁被占用，且当前线程可能是【第一个获取锁失败】的线程，【还没有建立队列】
        if (t == null) {
            // 设置一个【哑元节点】，头尾指针都指向该节点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            // 自旋到这，普通入队方式，首先赋值尾节点的前驱节点【尾插法】
            node.prev = t;
            // 【在设置完尾节点后，才更新的原始尾节点的后继节点，所以此时从前往后遍历会丢失尾节点】
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                //【此时 t.next  = null，并且这里已经 CAS 结束，线程并不是安全的】
                t.next = node;
                return t;  // 返回当前 node 的前驱节点
            }
        }
    }
}

    An image

  • 线程节点加入队列成功，进入 AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued 逻辑阻塞线程

    • acquireQueued 会在一个自旋中不断尝试获得锁，失败后进入 park 阻塞
    • 如果当前线程是在 head 节点后，会再次 tryAcquire 尝试获取锁，state 仍为 1 则失败（第三次）
    java
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // true 表示当前线程抢占锁失败，false 表示成功
    boolean failed = true;
    try {
        // 中断标记，表示当前线程是否被中断
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            // 获得当前线程节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 前驱节点是 head, FIFO 队列的特性表示轮到当前线程可以去获取锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 获取成功, 设置当前线程自己的 node 为 head
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                // 表示抢占锁成功
                failed = false;
                // 返回当前线程是否被中断
                return interrupted;
            }
            // 判断是否应当 park，返回 false 后需要新一轮的循环，返回 true 进入条件二阻塞线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                // 条件二返回结果是当前线程是否被打断，没有被打断返回 false 不进入这里的逻辑
                // 【就算被打断了，也会继续循环，并不会返回】
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        // 【可打断模式下才会进入该逻辑】
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
    • 进入 shouldParkAfterFailedAcquire 逻辑，将前驱 node 的 waitStatus 改为 -1，返回 false；waitStatus 为 -1 的节点用来唤醒下一个节点
    java
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    // 表示前置节点是个可以唤醒当前节点的节点，返回 true
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    // 前置节点的状态处于取消状态，需要【删除前面所有取消的节点】, 返回到外层循环重试
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        // 获取到非取消的节点，连接上当前节点
        pred.next = node;
    // 默认情况下 node 的 waitStatus 是 0，进入这里的逻辑
    } else {
        // 【设置上一个节点状态为 Node.SIGNAL】，返回外层循环重试
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    // 返回不应该 park，再次尝试一次
    return false;
}
    • shouldParkAfterFailedAcquire 执行完毕回到 acquireQueued ，再次 tryAcquire 尝试获取锁，这时 state 仍为 1 获取失败（第四次）
    • 当再次进入 shouldParkAfterFailedAcquire 时，这时其前驱 node 的 waitStatus 已经是 -1 了，返回 true
    • 进入 parkAndCheckInterrupt， Thread-1 park（灰色表示）
    java
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 阻塞当前线程，如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效
    LockSupport.park(this);
    // 判断当前线程是否被打断，清除打断标记
    return Thread.interrupted();
}

  • 再有多个线程经历竞争失败后：

    An image

解锁 ​

ReentrantLock#unlock：释放锁

java
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

Thread-0 释放锁，进入 release 流程

  • 进入 tryRelease，设置 exclusiveOwnerThread 为 null，state = 0

  • 当前队列不为 null，并且 head 的 waitStatus = -1，进入 unparkSuccessor

    java
    // AbstractQueuedSynchronizer#release
public final boolean release(int arg) {
    // 尝试释放锁，tryRelease 返回 true 表示当前线程已经【完全释放锁，重入的释放了】
    if (tryRelease(arg)) {
        // 队列头节点
        Node h = head;
        // 头节点什么时候是空？没有发生锁竞争，没有竞争线程创建哑元节点
        // 条件成立说明阻塞队列有等待线程，需要唤醒 head 节点后面的线程
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }    
    return false;
}
    java
    // ReentrantLock.Sync#tryRelease
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 减去释放的值，可能重入
    int c = getState() - releases;
    // 如果当前线程不是持有锁的线程直接报错
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 是否已经完全释放锁
    boolean free = false;
    // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才完全释放锁成功
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 当前线程就是持有锁线程，所以可以直接更新锁，不需要使用 CAS
    setState(c);
    return free;
}

  • 进入 AbstractQueuedSynchronizer#unparkSuccessor 方法，唤醒当前节点的后继节点

    • 找到队列中距离 head 最近的一个没取消的 Node，unpark 恢复其运行，本例中即为 Thread-1
    • 回到 Thread-1 的 acquireQueued 流程
    java
    private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 当前节点的状态
    int ws = node.waitStatus;    
    if (ws < 0)        
        // 【尝试重置状态为 0】，因为当前节点要完成对后续节点的唤醒任务了，不需要 -1 了
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);    
    // 找到需要 unpark 的节点，当前节点的下一个    
    Node s = node.next;    
    // 已取消的节点不能唤醒，需要找到距离头节点最近的非取消的节点
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // AQS 队列【从后至前】找需要 unpark 的节点，直到 t == 当前的 node 为止，找不到就不唤醒了
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            // 说明当前线程状态需要被唤醒
            if (t.waitStatus <= 0)
                // 置换引用
                s = t;
    }
    // 【找到合适的可以被唤醒的 node，则唤醒线程】
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

    从后向前的唤醒的原因：enq 方法中，节点是尾插法，首先赋值的是尾节点的前驱节点，此时前驱节点的 next 并没有指向尾节点，从前遍历会丢失尾节点

  • 唤醒的线程会从 park 位置开始执行，如果加锁成功（没有竞争），会设置

    • exclusiveOwnerThread 为 Thread-1，state = 1
    • head 指向刚刚 Thread-1 所在的 Node，该 Node 会清空 Thread
    • 原本的 head 因为从链表断开，而可被垃圾回收（图中有错误，原来的头节点的 waitStatus 被改为 0 了）

    An image

  • 如果这时有其它线程来竞争**（非公平）**，例如这时有 Thread-4 来了并抢占了锁

    • Thread-4 被设置为 exclusiveOwnerThread，state = 1
    • Thread-1 再次进入 acquireQueued 流程，获取锁失败，重新进入 park 阻塞

    An image

公平原理 ​

与非公平锁主要区别在于 tryAcquire 方法：先检查 AQS 队列中是否有前驱节点，没有才去 CAS 竞争

java
static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 先检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有(false)才去竞争
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 锁重入
        return false;
    }
}
java
public final boolean hasQueuedPredecessors() {    
    Node t = tail;
    Node h = head;
    Node s;    
    // 头尾指向一个节点，链表为空，返回false
    return h != t &&
        // 头尾之间有节点，判断头节点的下一个是不是空
        // 不是空进入最后的判断，第二个节点的线程是否是本线程，不是返回 true，表示当前节点有前驱节点
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

可重入 ​

可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁，如果不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住，直接造成死锁

源码解析参考：nonfairTryAcquire(int acquires)) 和 tryRelease(int releases)

java
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
    method1();
}
public static void method1() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " execute method1");
        method2();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
public static void method2() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " execute method2");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

在 Lock 方法加两把锁会是什么情况呢？

  • 加锁两次解锁两次：正常执行
  • 加锁两次解锁一次：程序直接卡死，线程不能出来，也就说明申请几把锁，最后需要解除几把锁
  • 加锁一次解锁两次：运行程序会直接报错
java
public void getLock() {
    lock.lock();
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
    } finally {
        lock.unlock();
        //lock.unlock();
    }
}

可打断 ​

基本使用 ​

public void lockInterruptibly()：获得可打断的锁

  • 如果没有竞争此方法就会获取 lock 对象锁
  • 如果有竞争就进入阻塞队列，可以被其他线程用 interrupt 打断

注意：如果是不可中断模式，那么即使使用了 interrupt 也不会让等待状态中的线程中断

java
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();    
    Thread t1 = new Thread(() -> {        
        try {            
            System.out.println("尝试获取锁");            
            lock.lockInterruptibly();        
        } catch (InterruptedException e) {            
            System.out.println("没有获取到锁，被打断，直接返回");            
            return;        
        }        
        try {            
            System.out.println("获取到锁");        
        } finally {            
            lock.unlock();        
        }    
    }, "t1");    
    lock.lock();    
    t1.start();    
    Thread.sleep(2000);    
    System.out.println("主线程进行打断锁");    
    t1.interrupt();
}

实现原理 ​

  • 不可打断模式：即使它被打断，仍会驻留在 AQS 阻塞队列中，一直要等到获得锁后才能得知自己被打断了

    java
    public final void acquire(int arg) {    
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//阻塞等待        
        // 如果acquireQueued返回true，打断状态 interrupted = true        
        selfInterrupt();
}
static void selfInterrupt() {
    // 知道自己被打断了，需要重新产生一次中断完成中断效果
    Thread.currentThread().interrupt();
}
    java
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {    
    try {        
        boolean interrupted = false;        
        for (;;) {            
            final Node p = node.predecessor();            
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {                
                setHead(node);                
                p.next = null; // help GC                
                failed = false;                
                // 还是需要获得锁后, 才能返回打断状态
                return interrupted;            
            }            
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()){
                // 条件二中判断当前线程是否被打断，被打断返回true，设置中断标记为 true，【获取锁后返回】
                interrupted = true;  
            }                  
        } 
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {    
     // 阻塞当前线程，如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效
     LockSupport.park(this);    
     // 判断当前线程是否被打断，清除打断标记，被打断返回true
     return Thread.interrupted();
 }

  • 可打断模式：AbstractQueuedSynchronizer#acquireInterruptibly，被打断后会直接抛出异常

    java
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {    
    sync.acquireInterruptibly(1);
}
public final void acquireInterruptibly(int arg) {
    // 被其他线程打断了直接返回 false
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (!tryAcquire(arg))
        // 没获取到锁，进入这里
        doAcquireInterruptibly(arg);
}
    java
    private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 返回封装当前线程的节点
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            //...
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                // 【在 park 过程中如果被 interrupt 会抛出异常】, 而不会再次进入循环获取锁后才完成打断效果
                throw new InterruptedException();
        }    
    } finally {
        // 抛出异常前会进入这里
        if (failed)
            // 取消当前线程的节点
            cancelAcquire(node);
    }
}
    java
    // 取消节点出队的逻辑
private void cancelAcquire(Node node) {
    // 判空
    if (node == null)
        return;
    // 把当前节点封装的 Thread 置为空
    node.thread = null;
    // 获取当前取消的 node 的前驱节点
    Node pred = node.prev;
    // 前驱节点也被取消了，循环找到前面最近的没被取消的节点
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;
    
  // 获取前驱节点的后继节点，可能是当前 node，也可能是 waitStatus > 0 的节点
    Node predNext = pred.next;
    
  // 把当前节点的状态设置为 【取消状态 1】
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    
  // 条件成立说明当前节点是尾节点，把当前节点的前驱节点设置为尾节点
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        // 把前驱节点的后继节点置空，这里直接把所有的取消节点出队
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // 说明当前节点不是 tail 节点
        int ws;
        // 条件一成立说明当前节点不是 head.next 节点
        if (pred != head &&
            // 判断前驱节点的状态是不是 -1，不成立说明前驱状态可能是 0 或者刚被其他线程取消排队了
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             // 如果状态不是 -1，设置前驱节点的状态为 -1
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            // 前驱节点的线程不为null
            pred.thread != null) {
            
            Node next = node.next;
            // 当前节点的后继节点是正常节点
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                // 把 前驱节点的后继节点 设置为 当前节点的后继节点，【从队列中删除了当前节点】
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            // 当前节点是 head.next 节点，唤醒当前节点的后继节点
            unparkSuccessor(node);
        }
        node.next = node; // help GC
    }
}

锁超时 ​

基本使用 ​

public boolean tryLock()：尝试获取锁，获取到返回 true，获取不到直接放弃，不进入阻塞队列

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：在给定时间内获取锁，获取不到就退出

注意：tryLock 期间也可以被打断

java
public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            if (!lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
                System.out.println("获取不到锁");
                return;
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("被打断，获取不到锁");
            return;
        }
        try {
            log.debug("获取到锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t1");
    lock.lock();
    System.out.println("主线程获取到锁");
    t1.start();
    
    Thread.sleep(1000);
    try {
        System.out.println("主线程释放了锁");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

实现原理 ​

  • 成员变量：指定超时限制的阈值，小于该值的线程不会被挂起

    java
    static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;

    超时时间设置的小于该值，就会被禁止挂起，因为阻塞在唤醒的成本太高，不如选择自旋空转

  • tryLock()

    java
    public boolean tryLock() {   
    // 只尝试一次
    return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

  • tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

    java
    public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) {
    if (Thread.interrupted())        
        throw new InterruptedException();    
    // tryAcquire 尝试一次
    return tryAcquire(arg) || doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {    
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}
    java
    private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) {    
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    // 获取最后期限的时间戳
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    //...
    try {
        for (;;) {
            //...
            // 计算还需等待的时间
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L)    //时间已到     
                return false;
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                // 如果 nanosTimeout 大于该值，才有阻塞的意义，否则直接自旋会好点
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            // 【被打断会报异常】
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }    
    }
}

哲学家就餐 ​

java
public static void main(String[] args) {
    Chopstick c1 = new Chopstick("1");//...
    Chopstick c5 = new Chopstick("5");
    new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();
    new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();
    new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();
    new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();    
    new Philosopher("阿基米德", c5, c1).start();
}
class Philosopher extends Thread {
    Chopstick left;
    Chopstick right;
    public void run() {
        while (true) {
            // 尝试获得左手筷子
            if (left.tryLock()) {
                try {
                    // 尝试获得右手筷子
                    if (right.tryLock()) {
                        try {
                            System.out.println("eating...");
                            Thread.sleep(1000);
                        } finally {
                            right.unlock();
                        }
                    }
                } finally {
                    left.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
class Chopstick extends ReentrantLock {
    String name;
    public Chopstick(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}

条件变量 ​

基本使用 ​

synchronized 的条件变量，是当条件不满足时进入 WaitSet 等待；ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于支持多个条件变量

ReentrantLock 类获取 Condition 对象：public Condition newCondition()

Condition 类 API：

  • void await()：当前线程从运行状态进入等待状态，释放锁
  • void signal()：唤醒一个等待在 Condition 上的线程，但是必须获得与该 Condition 相关的锁

使用流程：

  • await / signal 前需要获得锁
  • await 执行后，会释放锁进入 ConditionObject 等待
  • await 的线程被唤醒去重新竞争 lock 锁
  • 线程在条件队列被打断会抛出中断异常
  • 竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行
java
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //创建一个新的条件变量
    Condition condition1 = lock.newCondition();
    Condition condition2 = lock.newCondition();
    new Thread(() -> {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("进入等待");
            //进入休息室等待
            condition1.await();
            System.out.println("被唤醒了");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }    
    }).start();
    Thread.sleep(1000);
    //叫醒
    new Thread(() -> {
        try {            
            lock.lock();
            //唤醒
            condition2.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }).start();
}

实现原理 ​

await ​

总体流程是将 await 线程包装成 node 节点放入 ConditionObject 的条件队列，如果被唤醒就将 node 转移到 AQS 的执行阻塞队列，等待获取锁，每个 Condition 对象都包含一个等待队列

  • 开始 Thread-0 持有锁，调用 await，线程进入 ConditionObject 等待，直到被唤醒或打断，调用 await 方法的线程都是持锁状态的，所以说逻辑里不存在并发

    java
    public final void await() throws InterruptedException {
     // 判断当前线程是否是中断状态，是就直接给个中断异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 将调用 await 的线程包装成 Node，添加到条件队列并返回
    Node node = addConditionWaiter();
    // 完全释放节点持有的锁，因为其他线程唤醒当前线程的前提是【持有锁】
    int savedState = fullyRelease(node);
    
    // 设置打断模式为没有被打断，状态码为 0
    int interruptMode = 0;
    
    // 如果该节点还没有转移至 AQS 阻塞队列, park 阻塞，等待进入阻塞队列
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        // 如果被打断，退出等待队列，对应的 node 【也会被迁移到阻塞队列】尾部，状态设置为 0
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 逻辑到这说明当前线程退出等待队列，进入【阻塞队列】
    
    // 尝试枪锁，释放了多少锁就【重新获取多少锁】，获取锁成功判断打断模式
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    
    // node 在条件队列时 如果被外部线程中断唤醒，会加入到阻塞队列，但是并未设 nextWaiter = null
    if (node.nextWaiter != null)
        // 清理条件队列内所有已取消的 Node
        unlinkCancelledWaiters();
    // 条件成立说明挂起期间发生过中断
    if (interruptMode != 0)
        // 应用打断模式
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
    java
    // 打断模式 - 在退出等待时重新设置打断状态
private static final int REINTERRUPT = 1;
// 打断模式 - 在退出等待时抛出异常
private static final int THROW_IE = -1;

    An image

  • 创建新的 Node 状态为 -2（Node.CONDITION），关联 Thread-0，加入等待队列尾部

    java
    private Node addConditionWaiter() {
    // 获取当前条件队列的尾节点的引用，保存到局部变量 t 中
    Node t = lastWaiter;
    // 当前队列中不是空，并且节点的状态不是 CONDITION（-2），说明当前节点发生了中断
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        // 清理条件队列内所有已取消的 Node
        unlinkCancelledWaiters();
        // 清理完成重新获取 尾节点 的引用
        t = lastWaiter;
    }
    // 创建一个关联当前线程的新 node, 设置状态为 CONDITION(-2)，添加至队列尾部
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;       // 空队列直接放在队首【不用CAS因为执行线程是持锁线程，并发安全】
    else
        t.nextWaiter = node;      // 非空队列队尾追加
    lastWaiter = node;            // 更新队尾的引用
    return node;
}
    java
    // 清理条件队列内所有已取消（不是CONDITION）的 node，【链表删除的逻辑】
private void unlinkCancelledWaiters() {
    // 从头节点开始遍历【FIFO】
    Node t = firstWaiter;
    // 指向正常的 CONDITION 节点
    Node trail = null;
    // 等待队列不空
    while (t != null) {
        // 获取当前节点的后继节点
        Node next = t.nextWaiter;
        // 判断 t 节点是不是 CONDITION 节点，条件队列内不是 CONDITION 就不是正常的
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { 
            // 不是正常节点，需要 t 与下一个节点断开
            t.nextWaiter = null;
            // 条件成立说明遍历到的节点还未碰到过正常节点
            if (trail == null)
                // 更新 firstWaiter 指针为下个节点
                firstWaiter = next;
            else
                // 让上一个正常节点指向 当前取消节点的 下一个节点，【删除非正常的节点】
                trail.nextWaiter = next;
            // t 是尾节点了，更新 lastWaiter 指向最后一个正常节点
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        } else {
            // trail 指向的是正常节点 
            trail = t;
        }
        // 把 t.next 赋值给 t，循环遍历
        t = next; 
    }
}

  • 接下来 Thread-0 进入 AQS 的 fullyRelease 流程，释放同步器上的锁

    java
    // 线程可能重入，需要将 state 全部释放
final int fullyRelease(Node node) {
    // 完全释放锁是否成功，false 代表成功
    boolean failed = true;
    try {
        // 获取当前线程所持有的 state 值总数
        int savedState = getState();
        // release -> tryRelease 解锁重入锁
        if (release(savedState)) {
            // 释放成功
            failed = false;
            // 返回解锁的深度
            return savedState;
        } else {
            // 解锁失败抛出异常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        // 没有释放成功，将当前 node 设置为取消状态
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

  • fullyRelease 中会 unpark AQS 队列中的下一个节点竞争锁，假设 Thread-1 竞争成功

    An image

  • Thread-0 进入 isOnSyncQueue 逻辑判断节点是否移动到阻塞队列，没有就 park 阻塞 Thread-0

    java
    final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // node 的状态是 CONDITION，signal 方法是先修改状态再迁移，所以前驱节点为空证明还【没有完成迁移】
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 说明当前节点已经成功入队到阻塞队列，且当前节点后面已经有其它 node，因为条件队列的 next 指针为 null
    if (node.next != null)
        return true;
    // 说明【可能在阻塞队列，但是是尾节点】
    // 从阻塞队列的尾节点开始向前【遍历查找 node】，如果查找到返回 true，查找不到返回 false
    return findNodeFromTail(node);
}

  • await 线程 park 后如果被 unpark 或者被打断，都会进入 checkInterruptWhileWaiting 判断线程是否被打断：在条件队列被打断的线程需要抛出异常

    java
    private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    // Thread.interrupted() 返回当前线程中断标记位，并且重置当前标记位 为 false
    // 如果被中断了，根据是否在条件队列被中断的，设置中断状态码
    return Thread.interrupted() ?(transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0;
}
    java
    // 这个方法只有在线程是被打断唤醒时才会调用
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
    // 条件成立说明当前node一定是在条件队列内，因为 signal 迁移节点到阻塞队列时，会将节点的状态修改为 0
    if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        // 把【中断唤醒的 node 加入到阻塞队列中】
        enq(node);
        // 表示是在条件队列内被中断了，设置为 THROW_IE 为 -1
        return true;
    }

    //执行到这里的情况：
    //1.当前node已经被外部线程调用 signal 方法将其迁移到 阻塞队列 内了
    //2.当前node正在被外部线程调用 signal 方法将其迁移至 阻塞队列 进行中状态
    
    // 如果当前线程还没到阻塞队列，一直释放 CPU
    while (!isOnSyncQueue(node))
        Thread.yield();

    // 表示当前节点被中断唤醒时不在条件队列了，设置为 REINTERRUPT 为 1
    return false;
}

  • 最后开始处理中断状态：

    java
    private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException {
    // 条件成立说明【在条件队列内发生过中断，此时 await 方法抛出中断异常】
    if (interruptMode == THROW_IE)
        throw new InterruptedException();

    // 条件成立说明【在条件队列外发生的中断，此时设置当前线程的中断标记位为 true】
    else if (interruptMode == REINTERRUPT)
        // 进行一次自己打断，产生中断的效果
        selfInterrupt();
}

signal ​

  • 假设 Thread-1 要来唤醒 Thread-0，进入 ConditionObject 的 doSignal 流程，取得等待队列中第一个 Node，即 Thread-0 所在 Node，必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignal 内线程安全

    java
    public final void signal() {
    // 判断调用 signal 方法的线程是否是独占锁持有线程
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 获取条件队列中第一个 Node
    Node first = firstWaiter;
    // 不为空就将第该节点【迁移到阻塞队列】
    if (first != null)
        doSignal(first);
}
    java
    // 唤醒 - 【将没取消的第一个节点转移至 AQS 队列尾部】
private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 成立说明当前节点的下一个节点是 null，当前节点是尾节点了，队列中只有当前一个节点了
        if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    // 将等待队列中的 Node 转移至 AQS 队列，不成功且还有节点则继续循环
    } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
}

// signalAll() 会调用这个函数，唤醒所有的节点
private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    // 唤醒所有的节点，都放到阻塞队列中
    } while (first != null);
}

  • 执行 transferForSignal，先将节点的 waitStatus 改为 0，然后加入 AQS 阻塞队列尾部，将 Thread-3 的 waitStatus 改为 -1

    java
    // 如果节点状态是取消, 返回 false 表示转移失败, 否则转移成功
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // CAS 修改当前节点的状态，修改为 0，因为当前节点马上要迁移到阻塞队列了
    // 如果状态已经不是 CONDITION, 说明线程被取消（await 释放全部锁失败）或者被中断（可打断 cancelAcquire）
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        // 返回函数调用处继续寻找下一个节点
        return false;
    
    // 【先改状态，再进行迁移】
    // 将当前 node 入阻塞队列，p 是当前节点在阻塞队列的【前驱节点】
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    
    // 如果前驱节点被取消或者不能设置状态为 Node.SIGNAL，就 unpark 取消当前节点线程的阻塞状态, 
    // 让 thread-0 线程竞争锁，重新同步状态
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

    An image

  • Thread-1 释放锁，进入 unlock 流程