Java并发编程 - 深入剖析ReentrantLock之非公平锁加锁流程（第1篇）

这篇文章不是讲ReentrantLock的使用，而是通过调试，分析其实现原理。

非公平锁

测试代码如下：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void doSomething() {

        lock.lock();

        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has been acquired the lock...");
        } finally {
            lock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has been released the lock...");
        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        ReentrantLockExample lockExample = new ReentrantLockExample();

        Thread A = new Thread(()->{
            lockExample.doSomething();
        }, "thread-A");

        Thread B = new Thread(()->{
            lockExample.doSomething();
        }, "thread-B");

        Thread C = new Thread(()->{
                lockExample.doSomething();
            }, "thread-C");

        Thread D = new Thread(()->{
                lockExample.doSomething();
        }, "thread-D");

        A.start();
        B.start();
        C.start();
        D.start();
    }
}

代码测试的是4个线程争抢一把锁。

1. 加锁流程解析

通过IDEA多线程调试工具进行调试，调试模拟情景为：A-B-C-D依次获取锁，等所有的获取请求结束，再依次释放锁。

第一步：线程A请求锁

调用ReentrantLock的lock方法：

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

执行到此出，将处理交给sync，我们这里是非公平锁，则sync为NonfairSync，调用方法：

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
      acquire(1);
}

通过CAS设置state变量，期望当前值是0，更新值是1。state初始值为0，无其他线程更改过，所以这里CAS设置成功，state值变为1。并且exclusiveOwnerThread设置为thread-A对象。

执行图：

thread-A加锁.png

lock对象内容：

thread-A加锁后ReentrantLock对象内容.png

第二步：线程B请求锁

挂起A线程，执行B线程。

线程B执行到此代码：

ReentrantLock.java

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

此时state=1，此处CAS执行失败，接下来执行else语句代码。

acquire方法在AbstractQueuedSynchronizer类中定义：

AbstractQueuedSynchronizer.java

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

if条件中有两处，若第一次为false，则第二处会执行。

先来看tryAcquire, tryAcquire在AbstractQueuedSynchronizer重定义，但是没有定义具体实现，具体实现交给子类，我们这里就是NonfairSync类实现。

NonfairSync

 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

nonfairTryAcquire在NonfairSync直接父类也就是Sync中定义：

Sync

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

此时state=1，exclusiveOwnerThread=thread-A, current = thread-B。此方法内逻辑不执行，返回false。

返回执行acquireQueued方法。

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

执行这个方法前要先执行addWaiter方法，此方法用于创建即将入同步队列的Node(节点)。

AbstractQueueSynchronizer.java

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

此时tail = null，执行enq方法。

AbstractQueueSynchronizer.java

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}
  • 第一次循环：创建一个Node对象，设置给head。同时将head赋值给tail，这样head和tail指向同一个对象。两者不再为null。
head_tail-0.png
  • 第二次循环：将B节点的前置设置为t（t是中间变量指向的就是head/tail节点），然后将B设置为tail。执行完成后返回t，此时t和head执行同一个对象，其实返回的就是head节点。

执行完成后，head和tail的内容如下：

head_tail-1.png

注意一下，虽然addWaiter方法返回的是头节点，但是node还是指向的B节点。接着执行acquireQueued方法。

AbstractQueuedSynchronizer.java

 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {// Node此时是B节点
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
  • 第一次循环：p为head节点，tryAcquire和前面一样返回false，第一个if语句不行。紧接着执行shouldParkAfterFailedAcquire方法，方法代码如下：

AbstractQueuedSynchronzier.java

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        /*
         * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
         * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
         * retry to make sure it cannot acquire before parking.
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

此时pred=head, node = B, ws = 0, 执行:

compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

这个执行完成后，head的waitStatus被设置成Node.SINGAL，这个表示head节点的后继者也就是B节点代表的线程需要被通知。返回false。

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
    interrupted = true;

if代码块不执行。

  • 第二次循环： p还是head节点，tryAcquire和第一次循环一样，第一个if依然不执行，继续执行shouldParkAfterFailedAcquire，此时shouldParkAfterFailedAcquire方法内pre是head节点，而head节点经过第一次循环waitStatus被设置为-1。shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true, 则接下来执行parkAndCheckInterrupt()。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

线程B执行到LockSupport.park(this)处被挂起。

执行图：

thread-B加锁.png

第三步：线程C请求锁

注意：此时线程A是我们主动（通过IDE操作）挂起的（RUNNING），线程B通过上一步的操作被动（park操作）挂起的（WAITTING）。

因为前面已经见到一些逻辑的执行了，这里就不再重复，直接讲关系到Node的操作。

通过addWaiter操作，为线程C创建一个Node节点：

AbstractQueuedSynchronzier.java

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

此时tail为B节点，然后将C节点的prev设置为B，通过CAS操作将C节点设置为tail，设置成功将B的next设置为C。然后直接返回C节点。

执行完成后head和tail的内容如下：

head_tail-2.png

addWaiter返回C节点后，执行acquireQueued方法：

AbstractQueuedSynchronzier.java

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

此时node=C

  • 第一次循环: C的前置节点是B，这里p=B，第一个if不执行，执行

shouldParkAfterFailedAcquire：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        /*
         * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
         * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
         * retry to make sure it cannot acquire before parking.
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

pre=B，B的waitStatus=0，则执行compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL)，B的waitStatus被设为-1，表示后继节点，即C节点所代表的线程需要被唤醒。继续执行线程C被挂起。

执行图：

thread-C加锁.png

第四步：线程D请求锁

线程D请求锁和上面的流程几乎是一样了，这里就不再分别调试，执行图：

thread-D加锁.png
最后编辑于 ：
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剥皮案震惊了整个滨河市，随后出现的几起案子，更是在滨河造成了极大的恐慌，老刑警刘岩，带你破解...
    沈念sama阅读 160,881评论 4赞 368
  • 死咒
    序言：滨河连续发生了三起死亡事件，死亡现场离奇诡异，居然都是意外死亡，警方通过查阅死者的电脑和手机，发现死者居然都...
    沈念sama阅读 68,052评论 1赞 301
  • 救了他两次的神仙让他今天三更去死
    文/潘晓璐 我一进店门，熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来，“玉大人，你说我怎么就摊上这事。” “怎么了？”我有些...
    开封第一讲书人阅读 110,598评论 0赞 250
  • 道士缉凶录：失踪的卖姜人
    文/不坏的土叔 我叫张陵，是天一观的道长。 经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 44,407评论 0赞 217
  • 港岛之恋（遗憾婚礼）
    正文 为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
    茶点故事阅读 52,823评论 3赞 294
  • 恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
    文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着，像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上，一...
    开封第一讲书人阅读 40,872评论 1赞 224
  • 城市分裂传说
    那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。 笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播，决...
    沈念sama阅读 32,037评论 2赞 317
  • 双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
    文/苍兰香墨 我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
    开封第一讲书人阅读 30,778评论 0赞 204
  • 万荣杀人案实录
    序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
    沈念sama阅读 34,505评论 1赞 247
  • 护林员之死
    正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 30,745评论 2赞 253
  • 白月光启示录
    正文 我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 32,233评论 1赞 264
  • 活死人
    序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
    沈念sama阅读 28,568评论 3赞 260
  • 日本核电站爆炸内幕
    正文 年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
    茶点故事阅读 33,231评论 3赞 241
  • 男人毒药：我在死后第九天来索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,141评论 0赞 8
  • 一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,939评论 0赞 201
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 35,954评论 2赞 283
  • 代替公主和亲
    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 35,784评论 2赞 275