Java并发包中Lock的实现原理

最新推荐文章于 2024-12-05 23:27:58 发布

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本文深入解析Java并发包中Lock接口的实现原理，包括其基本思想、使用方法、公平锁与非公平锁的区别，以及Condition接口的基本思想。同时，对比Lock与synchronized关键字的不同之处。

Java并发包中Lock的实现原理

Lock 的简介及使用

Lock是java 1.5中引入的线程同步工具，它主要用于多线程下共享资源的控制。本质上Lock仅仅是一个接口（位于源码包中的java\util\concurrent\locks中），它包含以下方法

//尝试获取锁，获取成功则返回，否则阻塞当前线程void lock(); 

//尝试获取锁，线程在成功获取锁之前被中断，则放弃获取锁，抛出异常 void lockInterruptibly() throws InterruptedException; 

//尝试获取锁，获取锁成功则返回true，否则返回false boolean tryLock(); 

//尝试获取锁，若在规定时间内获取到锁，则返回true，否则返回false，未获取锁之前被中断，则抛出异常 boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)

                                   throws InterruptedException; 

//释放锁void unlock(); 

//返回当前锁的条件变量，通过条件变量可以实现类似notify和wait的功能，一个锁可以有多个条件变量Condition newCondition();

Lock有三个实现类，一个是ReentrantLock,另两个是ReentrantReadWriteLock类中的两个静态内部类ReadLock和WriteLock。

使用方法：多线程下访问（互斥）共享资源时，访问前加锁，访问结束以后解锁，解锁的操作推荐放入finally块中。

Lock l = ...; //根据不同的实现Lock接口类的构造函数得到一个锁对象 l.lock(); //获取锁位于try块的外面 try { 
      // access the resource protected by this lock } finally { 
     l.unlock(); 
}

注意，加锁位于对资源访问的try块的外部，特别是使用lockInterruptibly方法加锁时就必须要这样做，这为了防止线程在获取锁时被中断，这时就不必（也不能）释放锁。

try {
     l.lockInterruptibly();//获取锁失败时不会执行finally块中的unlock语句
      try{          // access the resource protected by this lock
     }finally{
          l.unlock();
     }
} catch (InterruptedException e) {     // TODO Auto-generated catch block
     e.printStackTrace();
}

2. 实现Lock接口的基本思想

需要实现锁的功能，两个必备元素，一个是表示（锁）状态的变量（我们假设0表示没有线程获取锁，1表示已有线程占有锁），另一个是队列，队列中的节点表示因未能获取锁而阻塞的线程。为了解决多核处理器下多线程缓存不一致的问题，表示状态的变量必须声明为voaltile类型，并且对表示状态的变量和队列的某些操作要保证原子性和可见性。原子性和可见性的操作主要通过Atomic包中的方法实现。

线程获取锁的大致过程（这里没有考虑可重入和获取锁过程被中断或超时的情况）

1. 读取表示锁状态的变量

2. 如果表示状态的变量的值为0，那么当前线程尝试将变量值设置为1（通过CAS操作完成），当多个线程同时将表示状态的变量值由0设置成1时，仅一个线程能成功，其

它线程都会失败

2.1 若成功，表示获取了锁，

2.1.1 如果该线程（或者说节点）已位于在队列中，则将其出列（并将下一个节点则变成了队列的头节点）

2.1.2 如果该线程未入列，则不用对队列进行维护

然后当前线程从lock方法中返回，对共享资源进行访问。

2.2 若失败，则当前线程将自身放入等待（锁的）队列中并阻塞自身，此时线程一直被阻塞在lock方法中，没有从该方法中返回（被唤醒后仍然在lock方法中，并从下一条语句继续执行，这里又会回到第1步重新开始）。

3. 如果表示状态的变量的值为1，那么将当前线程放入等待队列中，然后将自身阻塞（被唤醒后仍然在lock方法中，并从下一条语句继续执行，这里又会回到第1步重新开始）

注意: 唤醒并不表示线程能立刻运行，而是表示线程处于就绪状态，仅仅是可以运行而已

线程释放锁的大致过程

1. 释放锁的线程将状态变量的值从1设置为0，并唤醒等待（锁）队列中的队首节点，释放锁的线程从就从unlock方法中返回，继续执行线程后面的代码

2. 被唤醒的线程（队列中的队首节点）和可能和未进入队列并且准备获取的线程竞争获取锁，重复获取锁的过程

注意：可能有多个线程同时竞争去获取锁，但是一次只能有一个线程去释放锁，队列中的节点都需要它的前一个节点将其唤醒，例如有队列A<-B-<C ，即由A释放锁时唤醒B，B释放锁时唤醒C

3. 公平锁和非公平锁

锁可以分为公平锁和不公平锁，重入锁和非重入锁（关于重入锁的介绍会在ReentrantLock源代码分析中介绍），以上过程实际上是非公平锁的获取和释放过程。

公平锁严格按照先来后到的顺去获取锁，而非公平锁允许插队获取锁。

公平锁获取锁的过程上有些不同，在使用公平锁时，某线程想要获取锁，不仅需要判断当前表示状态的变量的值是否为0，还要判断队列里是否还有其他线程，若队列中还有线程则说明当前线程需要排队，进行入列操作，并将自身阻塞；若队列为空，才能尝试去获取锁。而对于非公平锁，当表示状态的变量的值是为0，就可以尝试获取锁，不必理会队列是否为空，这样就实现了插队获取锁的特点。通常来说非公平锁的吞吐率比公平锁要高，我们一般常用非公平锁。

这里需要解释一点，什么情况下才会出现，表示锁的状态的变量的值是为0而且队列中仍有其它线程等待获取锁的情况。

假设有三个线程A、B、C。A线程为正在运行的线程并持有锁，队列中有一个C线程，位于队首。现在A线程要释放锁，具体执行的过程操作可分为两步：

1. 将表示锁状态的变量值由1变为0，

2. C线程被唤醒，这里要明确两点：

（1）C线程被唤醒并不代表C线程开始执行，C线程此时是处于就绪状态，要等待操作系统的调度

（2）C线程目前还并未出列，C线程要进入运行状态，并且通过竞争获取到锁以后才会出列。

如果C线程此时还没有进入运行态，同时未在队列中的B线程进行获取锁的操作，B就会发现虽然当前没有线程持有锁，但是队列不为空（C线程仍然位于队列中），要满足先来后到的特点（B在C之后执行获取锁的操作），B线程就不能去尝试获取锁，而是进行入列操作。

4. 实现Condition接口的基本思想

Condition 本质是一个接口，它包含如下方法

// 让线程进入等通知待状态

void await() throws InterruptedException; 
void awaitUninterruptibly();

//让线程进入等待通知状态，超时结束等待状态，并抛出异常  long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; 
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; 
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; 

//将条件队列中的一个线程，从等待通知状态转换为等待锁状态 void signal(); 

//将条件队列中的所有线程，从等待通知阻塞状态转换为等待锁阻塞状态void signalAll();

一个Condition实例的内部实际上维护了一个队列，队列中的节点表示由于（某些条件不满足而）线程自身调用await方法阻塞的线程。Condition接口中有两个重要的方法，即 await方法和 signal方法。线程调用这个方法之前该线程必须已经获取了Condition实例所依附的锁。这样的原因有两个，（1）对于await方法，它内部会执行释放锁的操作，所以使用前必须获取锁。（2）对于signal方法，是为了避免多个线程同时调用同一个Condition实例的singal方法时引起的（队列）出列竞争。下面是这两个方法的执行流程。

await方法：

1. 入列到条件队列（注意这里不是等待锁的队列）

2. 释放锁

3. 阻塞自身线程

------------被唤醒后执行-------------

4. 尝试去获取锁（执行到这里时线程已不在条件队列中，而是位于等待（锁的）队列中，参见signal方法）

4.1 成功，从await方法中返回，执行线程后面的代码

4.2 失败，阻塞自己（等待前一个节点释放锁时将它唤醒）

注意：await方法时自身线程调用的，线程在await方法中阻塞，并没有从await方法中返回，当唤醒后继续执行await方法中后面的代码（也就是获取锁的代码）。可以看出await方法释放了锁，又尝试获得锁。当获取锁不成功的时候当前线程仍然会阻塞到await方法中，等待前一个节点释放锁后再将其唤醒。

signal方法：

1. 将条件队列的队首节点取出，放入等待锁队列的队尾

2. 唤醒该节点对应的线程

注意：signal是由其它线程调用