自学并发编程之：Lock与Condition

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于 2021-10-31 15:40:37 发布 · 411 阅读

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#java #maven #spring

本文详细探讨了Java并发编程中的Lock与Condition，包括可重入锁的概念、锁的公平性与非公平性、锁的实现原理，重点分析了ReentrantLock的lock()、unlock()、lockInterruptibly()以及tryLock()的实现细节。同时，文章还介绍了读写锁（ReentrantReadWriteLock）的工作原理，以及Condition的使用和实现。最后，文章提到了JDK8中引入的StampedLock及其优化策略。

Lock与Condition

8.1 互斥锁

8.1.1 锁的可重入性

“可重入锁”是指当一个线程调用 object.lock()获取到锁，进入临界区后，再次调用object.lock()，仍然可以获取到该锁。显然，通常的锁都要设计成可重入的，否则就会发生死锁。

synchronized关键字，就是可重入锁。在一个synchronized方法method1()里面调用另外一个synchronized方法method2()。如果synchronized关键字不可重入，那么在method2()处就会发生阻塞，这显然不可行。

8.1.2 类继承层次

在正式介绍锁的实现原理之前，先看一下 Concurrent 包中的与互斥锁（ReentrantLock）相关类之间的继承层次，如下图所示：

Lock是一个接口，其定义如下：

常用的方法是lock()/unlock()。lock()不能被中断，对应的lockInterruptibly()可以被中断。

ReentrantLock本身没有代码逻辑，实现都在其内部类Sync中：

8.1.3 锁的公平性VS非公平性

Sync是一个抽象类，它有两个子类FairSync与NonfairSync，分别对应公平锁和非公平锁。从下面的ReentrantLock构造方法可以看出，会传入一个布尔类型的变量fair指定锁是公平的还是非公平的，默认为非公平的。

什么叫公平锁和非公平锁呢？先举个现实生活中的例子，一个人去火车站售票窗口买票，发现现场有人排队，于是他排在队伍末尾，遵循先到者优先服务的规则，这叫公平；如果他去了不排队，直接冲到窗口买票，这叫作不公平。

对应到锁的例子，一个新的线程来了之后，看到有很多线程在排队，自己排到队伍末尾，这叫公平；线程来了之后直接去抢锁，这叫作不公平。默认设置的是非公平锁，其实是为了提高效率，减少线程切换。

锁实现的基本原理

Sync的父类AbstractQueuedSynchronizer经常被称作队列同步器（AQS），这个类非常重要，该类的父类是AbstractOwnableSynchronizer。

此处的锁具备synchronized功能，即可以阻塞一个线程。为了实现一把具有阻塞或唤醒功能的锁，需要几个核心要素：

需要一个state变量，标记该锁的状态。state变量至少有两个值：0、1。对state变量的操作，使用CAS保证线程安全。
需要记录当前是哪个线程持有锁。
需要底层支持对一个线程进行阻塞或唤醒操作。
需要有一个队列维护所有阻塞的线程。这个队列也必须是线程安全的无锁队列，也需要使用CAS。

针对要素1和2，在上面两个类中有对应的体现：

state取值不仅可以是0、1，还可以大于1，就是为了支持锁的可重入性。例如，同样一个线程，调用5次lock，state会变成5；然后调用5次unlock，state减为0。

当state=0时，没有线程持有锁，exclusiveOwnerThread=null；

当state=1时，有一个线程持有锁，exclusiveOwnerThread=该线程；

当state > 1时，说明该线程重入了该锁。

对于要素3，Unsafe类提供了阻塞或唤醒线程的一对操作原语，也就是park/unpark。

有一个LockSupport的工具类，对这一对原语做了简单封装：

在当前线程中调用park()，该线程就会被阻塞；在另外一个线程中，调用unpark(Thread thread)，传入一个被阻塞的线程，就可以唤醒阻塞在park()地方的线程。

unpark(Thread thread)，它实现了一个线程对另外一个线程的“精准唤醒”。notify也只是唤醒某一个线程，但无法指定具体唤醒哪个线程。

针对要素4，在AQS中利用双向链表和CAS实现了一个阻塞队列。如下所示：

阻塞队列是整个AQS核心中的核心。如下图所示，head指向双向链表头部，tail指向双向链表尾部。入队就是把新的Node加到tail后面，然后对tail进行CAS操作；出队就是对head进行CAS操作，把head向后移一个位置。

初始的时候，head=tail=NULL；然后，在往队列中加入阻塞的线程时，会新建一个空的Node，让head和tail都指向这个空Node；之后，在后面加入被阻塞的线程对象。所以，当head=tail的时候，说明队列为空。

8.1.4 公平与非公平的lock()实现差异

下面分析基于AQS，ReentrantLock在公平性和非公平性上的实现差异。

8.1.5 阻塞队列与唤醒机制

下面进入锁的最为关键的部分，即acquireQueued(...)方法内部一探究竟。

先说addWaiter(...)方法，就是为当前线程生成一个Node，然后把Node放入双向链表的尾部。要注意的是，这只是把Thread对象放入了一个队列中而已，线程本身并未阻塞。

创建节点，尝试将节点追加到队列尾部。获取tail节点，将tail节点的next设置为当前节点。

如果tail不存在，就初始化队列。

在addWaiter(...)方法把Thread对象加入阻塞队列之后的工作就要靠acquireQueued(...)方

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