JAVA LOCK代码浅析

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JAVA LOCK代码浅析

沉默术士 2017-05-02 12:04:00 浏览1188
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JAVA LOCK总体来说关键要素主要包括3点:
1.unsafe.compareAndSwapXXX(Object o,long offset,int expected,int x)
2.unsafe.park() 和 unsafe.unpark()
3.单向链表结构或者说存储线程的数据结构

第1点
主要为了保证锁的原子性,相当于一个锁是否正在被使用的标记,并且比较和设置这个标记的操作是原子的(硬件提供的swap和test_and_set指令,单CPU下同一指令的多个指令周期不可中断,SMP中通过锁总线支持上诉两个指令的原子性),这基本等于软件级别所能达到的最高级别隔离。

第2点
主要将未得到锁的线程禁用(park)和唤醒(unpark),也是直接native实现(这几个native方法的实现代码在hotspotsrcsharevmprimsunsafe.cpp文件中,但是关键代码park的最终实现是和操作系统相关的,比如windows下实现是在os_windows.cpp中,有兴趣的同学可以下载jdk源码查看)。唤醒一个被park()线程主要手段包括以下几种
1. 其他线程调用以被park()线程为参数的unpark(Thread thread).
2. 其他线程中断被park()线程,如waiters.peek().interrupt();waiters为存储线程对象的队列.
3. 不知原因的返回。

park()方法返回并不会报告到底是上诉哪种返回,所以返回好最好检查下线程状态,如
[java]
LockSupport.park(); //禁用当前线程
if(Thread.interrupted){
//doSomething
}[/java]
AbstractQueuedSynchronizer(AQS)对于这点实现得相当巧妙,如下所示
[java]
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
return;
}
}
//parkAndCheckInterrupt()会返回park住的线程在被unpark后的线程状态,如果线程中断,跳出循环。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
break;
}
} catch (RuntimeException ex) {
cancelAcquire(node);
throw ex;
}

// 只有线程被interrupt后才会走到这里
cancelAcquire(node);
throw new InterruptedException();

}

//在park()住的线程被unpark()后,第一时间返回当前线程是否被打断
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
[/java]
第3点对于一个Synchronizer的实现非常重要,存储等待线程,并且unlock时唤醒等待线程,这中间有很多工作需要做,唤醒策略,等待线程意外终结处理,公平非公平,可重入不可重入等。

以上简单说明了下JAVA LOCKS关键要素,现在我们来看下java.util.concurrent.locks大致结构
java.util.concurrent.locksjava.util.concurrent.locks
上图中,LOCK的实现类其实都是构建在AbstractQueuedSynchronizer上,为何图中没有用UML线表示呢,这是每个Lock实现类都持有自己内部类Sync的实例,而这个Sync就是继承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。为何要实现不同的Sync呢?这和每种Lock用途相关。另外还有AQS的State机制。

基于AQS构建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantRead WriteLock,FutureTask等,这些Synchronizer实际上最基本的东西就是原子状态的获取和释放,只是条件不一样而已。

ReentrantLock需要记录当前线程获取原子状态的次数,如果次数为零,那么就说明这个线程放弃了锁(也有可能其他线程占据着锁从而需要等待),如果次数大于1,也就是获得了重进入的效果,而其他线程只能被park住,直到这个线程重进入锁次数变成0而释放原子状态。以下为ReetranLock的FairSync的tryAcquire实现代码解析。
[java]
//公平获取锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果当前重进入数为0,说明有机会取得锁
if (c == 0) {
//如果是第一个等待者,并且设置重进入数成功,那么当前线程获得锁
if (isFirst(current) &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果当前线程本身就持有锁,那么叠加重进入数,并且继续获得锁
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
//以上条件都不满足,那么线程进入等待队列。
return false;
}
[/java]
Semaphore则是要记录当前还有多少次许可可以使用,到0,就需要等待,也就实现并发量的控制,Semaphore一开始设置许可数为1,实际上就是一把互斥锁。以下为Semaphore的FairSync实现
[java]
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
Thread current = Thread.currentThread();
for (;;) {
Thread first = getFirstQueuedThread();
//如果当前等待队列的第一个线程不是当前线程,那么就返回-1表示当前线程需要等待
if (first != null && first != current)
return -1;
//如果当前队列没有等待者,或者当前线程就是等待队列第一个等待者,那么先取得semaphore还有几个许可证,并且减去当前线程需要的许可证得到剩下的值
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
//如果remining<0,那么反馈给AQS当前线程需要等待,如果remaining>0,并且设置availble成功设置成剩余数,那么返回剩余值(>0),也就告知AQS当前线程拿到许可,可以继续执行。
if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
[/java]
CountDownLatch闭锁则要保持其状态,在这个状态到达终止态之前,所有线程都会被park住,闭锁可以设定初始值,这个值的含义就是这个闭锁需要被countDown()几次,因为每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一开始初始值为10的话,那么这个闭锁需要被countDown()十次,才能够将这个初始值减到0,从而释放原子状态,让等待的所有线程通过。
[java]
//await时候执行,只查看当前需要countDown数量减为0了,如果为0,说明可以继续执行,否则需要park住,等待countDown次数足够,并且unpark所有等待线程
public int tryAcquireShared(int acquires) {
return getState() == 0? 1 : -1;
}

//countDown 时候执行,如果当前countDown数量为0,说明没有线程await,直接返回false而不需要唤醒park住线程,如果不为0,得到剩下需要 countDown的数量并且compareAndSet,最终返回剩下的countDown数量是否为0,供AQS判定是否释放所有await线程。
public boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c-1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
[/java]
FutureTask需要记录任务的执行状态,当调用其实例的get方法时,内部类Sync会去调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法,而这个方法会反向调用Sync实现的tryAcquireShared()方法,即让具体实现类决定是否让当前线程继续还是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是检查状态,如果是RUNNING状态那么让当前线程park。而跑任务的线程会在任务结束时调用FutureTask 实例的set方法(与等待线程持相同的实例),设定执行结果,并且通过unpark唤醒正在等待的线程,返回结果。
[java]
//get时待用,只检查当前任务是否完成或者被Cancel,如果未完成并且没有被cancel,那么告诉AQS当前线程需要进入等待队列并且park住
protected int tryAcquireShared(int ignore) {
return innerIsDone()? 1 : -1;
}

//判定任务是否完成或者被Cancel
boolean innerIsDone() {
return ranOrCancelled(getState()) && runner == null;
}

//get时调用,对于CANCEL与其他异常进行抛错
V innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
if (!tryAcquireSharedNanos(0,nanosTimeout))
throw new TimeoutException();
if (getState() == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (exception != null)
throw new ExecutionException(exception);
return result;
}

//任务的执行线程执行完毕调用(set(V v))
void innerSet(V v) {
for (;;) {
int s = getState();
//如果线程任务已经执行完毕,那么直接返回(多线程执行任务?)
if (s == RAN)
return;
//如果被CANCEL了,那么释放等待线程,并且会抛错
if (s == CANCELLED) {
releaseShared(0);
return;
}
//如果成功设定任务状态为已完成,那么设定结果,unpark等待线程(调用get()方法而阻塞的线程),以及后续清理工作(一般由FutrueTask的子类实现)
if (compareAndSetState(s, RAN)) {
result = v;
releaseShared(0);
done();
return;
}
}
}
[/java]
以上4个AQS的使用是比较典型,然而有个问题就是这些状态存在哪里呢?并且是可以计数的。从以上4个example,我们可以很快得到答案,AQS提供给了子类一个int state属性。并且暴露给子类getState()和setState()两个方法(protected)。这样就为上述状态解决了存储问题,RetrantLock可以将这个state用于存储当前线程的重进入次数,Semaphore可以用这个state存储许可数,CountDownLatch则可以存储需要被countDown的次数,而Future则可以存储当前任务的执行状态(RUNING,RAN,CANCELL)。其他的Synchronizer存储他们的一些状态。

AQS留给实现者的方法主要有5个方法,其中tryAcquire,tryRelease和isHeldExclusively三个方法为需要独占形式获取的synchronizer实现的,比如线程独占ReetranLock的Sync,而tryAcquireShared和tryReleasedShared为需要共享形式获取的synchronizer实现。

ReentrantLock内部Sync类实现的是tryAcquire,tryRelease, isHeldExclusively三个方法(因为获取锁的公平性问题,tryAcquire由继承该Sync类的内部类FairSync和NonfairSync实现)Semaphore内部类Sync则实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared(与CountDownLatch相似,因为公平性问题,tryAcquireShared由其内部类FairSync和NonfairSync实现)。CountDownLatch内部类Sync实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。FutureTask内部类Sync也实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。

其实使用过一些JAVA synchronizer的之后,然后结合代码,能够很快理解其到底是如何做到各自的特性的,在把握了基本特性,即获取原子状态和释放原子状态,其实我们自己也可以构造synchronizer。如下是一个LOCK API的一个例子,实现了一个先入先出的互斥锁。
[java]
public class FIFOMutex {
private AtomicBoolean locked=new AtomicBoolean(false);
private Queue<Thread> waiters=new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();

public void lock(){
    boolean wasInterrupted=false;
    Thread current=Thread.currentThread();
    waiters.add(current);

    //如果waiters的第一个等待者不为当前线程,或者当前locked的状态为被占用(true)
    //那么park住当前线程
    while(waiters.peek()!=current||!locked.compareAndSet(false, true)){
        LockSupport.park();

        //当线程被unpark时,第一时间检查当前线程是否被interrupted
        if(Thread.interrupted()){
            wasInterrupted=true;
        }
    }

    //得到锁后,从等待队列移除当前线程,如果,并且如果当前线程已经被interrupted,
    //那么再interrupt一下以便供外部响应。
    waiters.remove();
    if(wasInterrupted){
        current.interrupt();
    }
}

//unlock逻辑相对简单,设定当前锁为空闲状态,并且将等待队列中
//的第一个等待线程唤醒
public void unlock(){
    locked.set(false);
    LockSupport.unpark(waiters.peek());
}

}
[/java]
总结,JAVA lock机制对于整个java concurrent包的成员意义重大,了解这个机制对于使用java并发类有着很多的帮助,文章中可能存在着各种错误,请各位多多谅解并且能够提出来,谢谢。

文章参考:JDK 1.6 source
java 并发编程实践
JDK 1.6 API 文档

本文来源于"阿里中间件团队播客",原文发表时间" 2010-09-30"

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