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State实现锁的原理

这篇文章主要介绍“State实现锁的原理”，在日常操作中，相信很多人在State实现锁的原理问题上存在疑惑，小编查阅了各式资料，整理出简单好用的操作方法，希望对大家解答”State实现锁的原理”的疑惑有所帮助！接下来，请跟着小编一起来学习吧！

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今天我们就来聊一聊基于AQS实现的各种锁。

1 ReentrantLock

我们先来看一下UML类图：

State实现锁的原理

从图中可以看到，ReentrantLock使用抽象内部类Sync来实现了AQS的方法，然后基于Sync这个同步器实现了公平锁和非公平锁。主要实现了下面3个方法：

  • tryAcquire(int arg)：获取独占锁

  • tryRelease(int arg)：释放独占锁

  • isHeldExclusively：当前线程是否占有独占锁

ReentrantLock默认实现的是非公平锁，可以在构造函数指定。

从实现的方法可以看到，ReentrantLock中获取的锁是独占锁，我们再来看一下获取和释放独占锁的代码：

public final void acquire(int arg) {     if (!tryAcquire(arg) &&         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))         selfInterrupt(); }

独占锁的特点是调用上面acquire方法，传入的参数是1。

1.1 获取公平锁

获取锁首先判断同步状态(state)的值。

1.1.1 state等于0

这说明没有线程占用锁，当前线程如果符合下面两个条件，就可以获取到锁：

  • 没有前任节点，如下图：

State实现锁的原理

  • CAS的方式更新state值(把0更新成1)成功。

如果获取独占锁成功，会更新AQS中exclusiveOwnerThread为当前线程，这个很容易理解。

1.1.2 state不等于0

这说明已经有线程占有锁，判断占有锁的线程是不是当前线程，如下图：

State实现锁的原理

state += 1值如果小于0，会抛出异常。

如果获取锁失败，则进入AQS队列等待唤醒。

1.2 获取非公平锁

跟公平锁相比，非公平锁的唯一不同是如果判断到state等于0，不用判断有没有前任节点，只要CAS设置state值(把0更新成1)成功，就获取到了锁。

1.3 释放锁

公平锁和非公平锁，释放逻辑完全一样，都是在内部类Sync中实现的。释放锁需要注意两点，如下图：

State实现锁的原理

为什么state会大于1，因为是可以重入的，占有锁的线程可以多次获取锁。

1.4 总结

公平锁的特点是每个线程都要进行排队，不用担心线程永远获取不到锁，但有个缺点是每个线程入队后都需要阻塞和被唤醒，这一定程度上影响了效率。非公平锁的特点是每个线程入队前都会先尝试获取锁，如果获取成功就不会入队了，这比公平锁效率高。但也有一个缺点，队列中的线程有可能等待很长时间，高并发下甚至可能永远获取不到锁。

2 ReentrantReadWriteLock

我们先来看一下UML类图：

State实现锁的原理

从图中可以看到，ReentrantReadWriteLock使用抽象内部类Sync来实现了AQS的方法，然后基于Sync这个同步器实现了公平锁和非公平锁。主要实现了下面3个方法：

  • tryAcquire(int arg)：获取独占锁

  • tryRelease(int arg)：释放独占锁

  • tryAcquireShared(int arg)：获取共享锁

  • tryReleaseShared(int arg)：释放共享锁

  • isHeldExclusively：当前线程是否占有独占锁

可见ReentrantReadWriteLock里面同时用到了共享锁和独占锁。

下图是定义的几个常用变量：

State实现锁的原理

下面这2个方法用户获取共享锁和独占锁的数量：

static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; } static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

从sharedCount可以看到，共享锁的数量要右移16位获取，也就是说共享锁占了高16位。从上图EXCLUSIVE_MASK的定义看到，跟EXCLUSIVE_MASK进行与运算，得到的是低16位的值，所以独占锁占了低16位。如下图：

State实现锁的原理

这样上面获取锁数量的方法就很好理解了。参考1[1]

2.1 读锁

读锁的实现对应内部类ReadLock。

2.1.1 获取读锁

获取读锁实际上是ReadLock调用了AQS的下面方法,传入参数是1：

public final void acquireShared(int arg) {     if (tryAcquireShared(arg) < 0)         doAcquireShared(arg); }

ReentrantReadWriteLock内部类Sync实现了tryAcquireShared方法，主要包括如下三种情况：

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  2. 使用exclusiveCount方法查看state中是否有独占锁，如果有并且独占线程不是当前线程，返回-1，获取失败。

  3. 使用sharedCount查看state中共享锁数量，如果读锁数量小于最大值(MAX_COUNT=65535)，则再满足下面3个条件就可以获取成功并返回1：

  • 当前线程不需要阻塞(readerShouldBlock)。在公平锁中，需要判断是否有前置节点，如下图就需要阻塞:

State实现锁的原理

在非公平锁中，则是判断第一个节点是不是有独占锁，如下图就需要阻塞:

State实现锁的原理

  • 使用CAS把state的值加SHARED_UNIT(65536)。

这里是不是就更理解读锁占高位的说法了，获取一个读锁，state的值就要加SHARED_UNIT这么多个。

  • 给当前线程的holdCount加1。

如果2失败，自旋，重复上面的步骤直到获取到锁。

tryAcquireShared(获取共享锁)会返回一个整数，如下：

  • 返回负数：获取锁失败。

  • 返回0：获取锁成功但是之后再由线程来获取共享锁时就会失败。

  • 返回正数:获取锁成功而且之后再有线程来获取共享锁时也可能会成功。

2.1.2 释放读锁

ReentrantReadWriteLock释放读锁是在ReadLock中调用了AQS下面方法，传入的参数是1：

public final boolean releaseShared(int arg) {     if (tryReleaseShared(arg)) {         doReleaseShared();         return true;     }     return false; }

ReentrantReadWriteLock内部类Sync实现了releaseShared方法，具体逻辑分为下面两步：

当前线程holdCounter值减1。

CAS的方式将state的值减去SHARED_UNIT。

2.2 写锁

写锁的实现对应内部类WriteLock。

2.2.1 获取写锁

ReentrantReadWriteLock获取写锁其实是在WriteLock中调用了AQS的下面方法，传入参数1：

public final void acquire(int arg) {     if (!tryAcquire(arg) &&         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))         selfInterrupt(); }

在ReentrantReadWriteLock内部类Sync实现了tryAcquire方法，首先获取state值和独占锁数量(exclusiveCount),之后分如下两种情况，如下图：

State实现锁的原理

state不等于0:

  • 独占锁数量等于0，这时说明有线程占用了共享锁，如果当前线程不是独占线程，获取锁失败。

  • 独占锁数量不等于0，独占锁数量加1后大于MAX_COUNT，获取锁失败。

  • 上面2种情况不符合，获取锁成功，state值加1。

state等于0，判断当前线程是否需要阻塞(writerShouldBlock)。

在公平锁中，跟readerShouldBlock的逻辑完全一样，就是判断队列中head节点的后继节点是不是当前线程。在非公平锁中，直接返回false，即可以直接尝试获取锁。

如果当前线程不需要阻塞，并且给state赋值成功，使用CAS方式把state值加1，把独占线程置为当前线程。

2.2.2 释放写锁

ReentrantReadWriteLock释放写锁其实是在WriteLock中调用了AQS的下面方法，传入参数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; }

ReentrantReadWriteLock在Sync中实现了tryRelease(arg)方法，逻辑如下：

  • 判断当前线程是不是独占线程，如果不是，抛出异常。

  • state值减1后，用新state值判断独占锁数量是否等于0

  • 如果等于0，则把独占线程置为空，返回true，这样上面的代码就可以唤醒队列中的后置节点了

  • 如果不等于0，返回false，不唤醒后继节点。

3 CountDownLatch

我们先来看一下UML类图：

State实现锁的原理

从上面的图中看出，CountDownLatch的内部类Sync实现了获取共享锁和释放共享锁的逻辑。

使用CountDownLatch时，构造函数会传入一个int类型的参数count，表示调动count次的countDown后主线程才可以被唤醒。

public CountDownLatch(int count) {     if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");     this.sync = new Sync(count); }

上面的Sync(count)就是将AQS中的state赋值为count。

3.1 await

CountDownLatch的await方法调用了AQS中的acquireSharedInterruptibly(int  arg)，传入参数1，不过这个参数并没有用。代码如下：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)         throws InterruptedException {     if (Thread.interrupted())         throw new InterruptedException();     if (tryAcquireShared(arg) < 0)         doAcquireSharedInterruptibly(arg); }

Sync中实现了tryAcquireShared方法，await逻辑如下图：

State实现锁的原理

上面的自旋过程就是等待state的值不断减小，只有state值成为0的时候，主线程才会跳出自旋执行之后的逻辑。

3.2 countDown

CountDownLatch的countDown方法调用了AQS的releaseShared(int  arg)，传入参数1，不过这个参数并没有用。内部类Sync实现了tryReleaseShared方法，逻辑如下图：

State实现锁的原理

3.3 总结

CountDownLatch的构造函数入参值会赋值给state变量，入队操作是主线程入队，每个子线程调用了countDown后state值减1，当state值成为0后唤醒主线程。

4 Semaphore

Semaphore是一个信号量，用来保护共享资源。如果线程要访问共享资源，首先从Semaphore获取锁(信号量)，如果信号量的计数器等于0，则当前线程进入AQS队列阻塞等待。否则，线程获取锁成功，信号量减1。使用完共享资源后，释放锁(信号量加1)。

Semaphore跟管程模型不一样的是，允许多个(构造函数的permits)线程进入管程内部，因此也常用它来做限流。

UML类图如下：

State实现锁的原理

Semaphore的构造函数会传入一个int类型参数，用来初始化state的值。

4.1 acquire

获取锁的操作调用了AQS中的acquireSharedInterruptibly方法，传入参数1，代码见CountDownLatch中await小节。Semaphore在公平锁和非公平锁中分别实现了tryAcquireShared方法。

4.1.1 公平锁

Semaphore默认使用非公平锁，如果使用公平锁，需要在构造函数指定。获取公平锁逻辑比较简单，如下图：

State实现锁的原理

4.1.2 非公平锁

acquire在非公平的锁唯一的区别就是不会判断AQS队列是否有前置节点(hasQueuedPredecessors)，而是直接尝试获取锁。

除了acquire方法外，还有其他几个获取锁的方法，原理类似，只是调用了AQS中的不同方法。

4.2 release

释放锁的操作调用了AQS中的releaseShared(int  arg)方法，传入参数1，在内部类Sync中实现了tryReleaseShared方法，逻辑很简单：使用CAS的方式将state的值加1，之后唤醒队列中的后继节点。

5 ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor中也用到了AQS，看下面的UML类图：

State实现锁的原理

Worker主要在ThreadPoolExecutor中断线程的时候使用。Worker自己实现了独占锁，在中断线程时首先进行加锁，中断操作后释放锁。按照官方说法，这里不直接使用ReentrantLock的原因是防止调用控制线程池的方法(类似setCorePoolSize)时能够重新获取到锁，

5.1 tryAcquire

使用CAS的方式把AQS中state从0改为1，把当前线程置为独占线程。

5.2 tryRelease

把独占线程置为空，把AQS中state改为0。

Worker初始化的时候会把state置为-1，这样是不能获取锁成功的。只有调用了runWorker方法，才会通过释放锁操作把state更为0。这样保证了只中断运行中的线程，而不会中断等待中的线程。

到此，关于“State实现锁的原理”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注创新互联网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！


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