Java中Lock的实现原理

系统管理员 2023-02-14 05:48 31阅读 0赞

文章来源: [https://mp.weixin.qq.com/s?\_\_biz=MzI3NzE0NjcwMg==&mid=2650122072&idx=1&sn=63690ad2cbf2b5390c3d8e1953ffbacf&chksm=f36bba79c41c336fbea8b56289fc2a71e829042f6c3616e3ba051c2542b48f0a3936e3d852f6&mpshare=1&scene=1&srcid=0225xcUOCP6bBS8aCrcd1jBd\#rd][https_mp.weixin.qq.com_s_biz_MzI3NzE0NjcwMg_mid_2650122072_idx_1_sn_63690ad2cbf2b5390c3d8e1953ffbacf_chksm_f36bba79c41c336fbea8b56289fc2a71e829042f6c3616e3ba051c2542b48f0a3936e3d852f6_mpshare_1_scene_1_srcid_0225xcUOCP6bBS8aCrcd1jBd_rd]

当多个线程需要访问某个公共资源的时候，我们知道需要通过加锁来保证资源的访问不会出问题。java提供了两种方式来加锁，一种是关键字：synchronized，一种是concurrent包下的lock锁。synchronized是java底层支持的，而concurrent包则是jdk实现。关于synchronized的原理可以阅读[再有人问你synchronized是什么，就把这篇文章发给他。][synchronized]

在这里，我会用尽可能少的代码，尽可能轻松的文字，尽可能多的图来看看lock的原理。

我们以ReentrantLock为例做分析，其他原理类似。

我把这个过程比喻成一个做菜的过程，有什么菜，做法如何？

> 我先列出lock实现过程中的几个关键词：计数值、双向链表、CAS+自旋

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使用例子

![format_png 1][]

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class App {
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            final int[] counter = {0};
    
            ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
            for (int i= 0; i < 50; i++){
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        lock.lock();
                        try {
                            int a = counter[0];
                            counter[0] = a + 1;
                        }finally {
                            lock.unlock();
                        }
                    }
                }).start();
            }
    
            // 主线程休眠，等待结果
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println(counter[0]);
        }
    }

在这个例子中，开50个线程同时更新counter。分成三块来看看源码（初始化、获取锁、释放锁）

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实现原理

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**ReentrantLock() 干了啥**

/**
         * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
         * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
         */
        public ReentrantLock() {
            sync = new NonfairSync();
        }

在lock的构造函数中，定义了一个NonFairSync，

static final class NonfairSync extends Sync

NonfairSync 又是继承于Sync

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer

一步一步往上找，找到了  
这个鬼AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS），最后这个鬼，又是继承于AbstractOwnableSynchronizer(AOS)，AOS主要是保存获取当前锁的线程对象，代码不多不再展开。  
最后我们可以看到几个主要类的继承关系。

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锁的类的继承关系.jpg

FairSync 与 NonfairSync的区别在于，是不是保证获取锁的公平性，因为默认是NonfairSync，我们以这个为例了解其背后的原理。

其他几个类代码不多，最后的主要代码都是在AQS中，我们先看看这个类的主体结构。

**AbstractQueuedSynchronizer是个什么**

![format_png 3][]

再看看Node是什么？

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看到这里的同学，是不是有种热泪盈眶的感觉，这尼玛，不就是**双向链表**么？我还记得第一次写这个数据结构的时候，发现居然还有这么神奇的一个东西。

***最后我们可以发现锁的存储结构就两个东西:"双向链表" + "int类型状态"。***  
需要注意的是，他们的变量都被"`transient`和`volatile`修饰。

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一个int值，一个双向链表是如何烹饪处理锁这道菜的呢，Doug Lea大神就是大神，我们接下来看看，如何获取锁？

**lock.lock()怎么获取锁？**![format_png 1][]

/**
     * Acquires the lock.
     */
    public void lock() {
        sync.lock();
    }

可以看到调用的是，`NonfairSync.lock()`

![format_png 6][]

看到这里，我们基本有了一个大概的了解，还记得之前AQS中的int类型的state值，这里就是通过CAS（乐观锁）去修改state的值。**lock的基本操作还是通过乐观锁来实现的**。

获取锁通过CAS，那么没有获取到锁，等待获取锁是如何实现的？我们可以看一下else分支的逻辑，acquire方法：

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

这里干了三件事情：

*  tryAcquire：会尝试再次通过CAS获取一次锁。
 *  addWaiter：将当前线程加入上面锁的双向链表（等待队列）中
 *  acquireQueued：通过自旋，判断当前队列节点是否可以获取锁。

**addWaiter 添加当前线程到等待链表中**![format_png 1][]

![format_png 7][]

可以看到，通过CAS确保能够在线程安全的情况下，将当前线程加入到链表的尾部。  
enq是个自旋+上述逻辑，有兴趣的可以翻翻源码。

acquireQueued

![format_png 8][]

自旋+CAS尝试获取锁

可以看到，当当前线程到头部的时候，尝试CAS更新锁状态，如果更新成功表示该等待线程获取成功。从头部移除。

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每一个线程都在自旋+CAS

最后简要概括一下，获取锁的一个流程

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获取锁流程.jpg

**lock.unlock() 释放锁**

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

可以看到调用的是，NonfairSync.release()

![format_png 11][]

image.png

最后有调用了NonfairSync.tryRelease()

![format_png 12][]

image.png

基本可以确认，释放锁就是对AQS中的状态值State进行修改。同时更新下一个链表中的线程等待节点。

![format_png][]

总结

![format_png 1][]

*  lock的存储结构：一个int类型状态值（用于锁的状态变更），一个双向链表（用于存储等待中的线程）
 *  lock获取锁的过程：本质上是通过CAS来获取状态值修改，如果当场没获取到，会将该线程放在线程等待链表中。
 *  lock释放锁的过程：修改状态值，调整等待链表。
 *  可以看到在整个实现过程中，lock大量使用CAS+自旋。因此根据CAS特性，lock建议使用在低锁冲突的情况下。目前java1.6以后，官方对synchronized做了大量的锁优化（偏向锁、自旋、轻量级锁）。因此在非必要的情况下，建议使用synchronized做同步操作。

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[synchronized]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3NzE0NjcwMg==&mid=2650121805&idx=1&sn=8aea8c329a018c82a7ebfe80ec604226&chksm=f36bbb6cc41c327acc23d3d7cdf0b785e318d8e970d564ba9ce8b28a1ae6b41499d351497af3&scene=21#wechat_redirect
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