State實現鎖的原理

這篇文章主要介紹“State實現鎖的原理”，在日常操作中，相信很多人在State實現鎖的原理問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”State實現鎖的原理”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

今天我們就來聊一聊基于AQS實現的各種鎖。

1 ReentrantLock

我們先來看一下UML類圖：

從圖中可以看到，ReentrantLock使用抽象內部類Sync來實現了AQS的方法，然后基于Sync這個同步器實現了公平鎖和非公平鎖。主要實現了下面3個方法：

• tryAcquire(int arg)：獲取獨占鎖

• tryRelease(int arg)：釋放獨占鎖

• isHeldExclusively：當前線程是否占有獨占鎖

ReentrantLock默認實現的是非公平鎖，可以在構造函數指定。

從實現的方法可以看到，ReentrantLock中獲取的鎖是獨占鎖，我們再來看一下獲取和釋放獨占鎖的代碼：

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

獨占鎖的特點是調用上面acquire方法，傳入的參數是1。

1.1 獲取公平鎖

獲取鎖首先判斷同步狀態(state)的值。

1.1.1 state等于0

這說明沒有線程占用鎖，當前線程如果符合下面兩個條件，就可以獲取到鎖：

• 沒有前任節點，如下圖：

• CAS的方式更新state值(把0更新成1)成功。

如果獲取獨占鎖成功，會更新AQS中exclusiveOwnerThread為當前線程，這個很容易理解。

1.1.2 state不等于0

這說明已經有線程占有鎖，判斷占有鎖的線程是不是當前線程，如下圖：

state += 1值如果小于0，會拋出異常。

如果獲取鎖失敗，則進入AQS隊列等待喚醒。

1.2 獲取非公平鎖

跟公平鎖相比，非公平鎖的唯一不同是如果判斷到state等于0，不用判斷有沒有前任節點，只要CAS設置state值(把0更新成1)成功，就獲取到了鎖。

1.3 釋放鎖

公平鎖和非公平鎖，釋放邏輯完全一樣，都是在內部類Sync中實現的。釋放鎖需要注意兩點，如下圖：

為什么state會大于1，因為是可以重入的，占有鎖的線程可以多次獲取鎖。

1.4 總結

公平鎖的特點是每個線程都要進行排隊，不用擔心線程永遠獲取不到鎖，但有個缺點是每個線程入隊后都需要阻塞和被喚醒，這一定程度上影響了效率。非公平鎖的特點是每個線程入隊前都會先嘗試獲取鎖，如果獲取成功就不會入隊了，這比公平鎖效率高。但也有一個缺點，隊列中的線程有可能等待很長時間，高并發下甚至可能永遠獲取不到鎖。

2 ReentrantReadWriteLock

我們先來看一下UML類圖：

從圖中可以看到，ReentrantReadWriteLock使用抽象內部類Sync來實現了AQS的方法，然后基于Sync這個同步器實現了公平鎖和非公平鎖。主要實現了下面3個方法：

• tryAcquire(int arg)：獲取獨占鎖

• tryRelease(int arg)：釋放獨占鎖

• tryAcquireShared(int arg)：獲取共享鎖

• tryReleaseShared(int arg)：釋放共享鎖

• isHeldExclusively：當前線程是否占有獨占鎖

可見ReentrantReadWriteLock里面同時用到了共享鎖和獨占鎖。

下圖是定義的幾個常用變量：

下面這2個方法用戶獲取共享鎖和獨占鎖的數量：

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

從sharedCount可以看到，共享鎖的數量要右移16位獲取，也就是說共享鎖占了高16位。從上圖EXCLUSIVE_MASK的定義看到，跟EXCLUSIVE_MASK進行與運算，得到的是低16位的值，所以獨占鎖占了低16位。如下圖：

這樣上面獲取鎖數量的方法就很好理解了。參考1[1]

2.1 讀鎖

讀鎖的實現對應內部類ReadLock。

2.1.1 獲取讀鎖

獲取讀鎖實際上是ReadLock調用了AQS的下面方法,傳入參數是1：

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

ReentrantReadWriteLock內部類Sync實現了tryAcquireShared方法，主要包括如下三種情況：

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2. 使用exclusiveCount方法查看state中是否有獨占鎖，如果有并且獨占線程不是當前線程，返回-1，獲取失敗。

3. 使用sharedCount查看state中共享鎖數量，如果讀鎖數量小于最大值(MAX_COUNT=65535)，則再滿足下面3個條件就可以獲取成功并返回1：

• 當前線程不需要阻塞(readerShouldBlock)。在公平鎖中，需要判斷是否有前置節點，如下圖就需要阻塞:

在非公平鎖中，則是判斷第一個節點是不是有獨占鎖，如下圖就需要阻塞:

• 使用CAS把state的值加SHARED_UNIT(65536)。

這里是不是就更理解讀鎖占高位的說法了，獲取一個讀鎖，state的值就要加SHARED_UNIT這么多個。

• 給當前線程的holdCount加1。

如果2失敗，自旋，重復上面的步驟直到獲取到鎖。

tryAcquireShared(獲取共享鎖)會返回一個整數，如下：

• 返回負數：獲取鎖失敗。

• 返回0：獲取鎖成功但是之后再由線程來獲取共享鎖時就會失敗。

• 返回正數:獲取鎖成功而且之后再有線程來獲取共享鎖時也可能會成功。

2.1.2 釋放讀鎖

ReentrantReadWriteLock釋放讀鎖是在ReadLock中調用了AQS下面方法，傳入的參數是1：

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

ReentrantReadWriteLock內部類Sync實現了releaseShared方法，具體邏輯分為下面兩步：

當前線程holdCounter值減1。

CAS的方式將state的值減去SHARED_UNIT。

2.2 寫鎖

寫鎖的實現對應內部類WriteLock。

2.2.1 獲取寫鎖

ReentrantReadWriteLock獲取寫鎖其實是在WriteLock中調用了AQS的下面方法，傳入參數1：

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

在ReentrantReadWriteLock內部類Sync實現了tryAcquire方法，首先獲取state值和獨占鎖數量(exclusiveCount),之后分如下兩種情況，如下圖：

state不等于0:

• 獨占鎖數量等于0，這時說明有線程占用了共享鎖，如果當前線程不是獨占線程，獲取鎖失敗。

• 獨占鎖數量不等于0，獨占鎖數量加1后大于MAX_COUNT，獲取鎖失敗。

• 上面2種情況不符合，獲取鎖成功，state值加1。

state等于0，判斷當前線程是否需要阻塞(writerShouldBlock)。

在公平鎖中，跟readerShouldBlock的邏輯完全一樣，就是判斷隊列中head節點的后繼節點是不是當前線程。在非公平鎖中，直接返回false，即可以直接嘗試獲取鎖。

如果當前線程不需要阻塞，并且給state賦值成功，使用CAS方式把state值加1，把獨占線程置為當前線程。

2.2.2 釋放寫鎖

ReentrantReadWriteLock釋放寫鎖其實是在WriteLock中調用了AQS的下面方法，傳入參數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中實現了tryRelease(arg)方法，邏輯如下：

• 判斷當前線程是不是獨占線程，如果不是，拋出異常。

• state值減1后，用新state值判斷獨占鎖數量是否等于0

• 如果等于0，則把獨占線程置為空，返回true，這樣上面的代碼就可以喚醒隊列中的后置節點了

• 如果不等于0，返回false，不喚醒后繼節點。

3 CountDownLatch

我們先來看一下UML類圖：

從上面的圖中看出，CountDownLatch的內部類Sync實現了獲取共享鎖和釋放共享鎖的邏輯。

使用CountDownLatch時，構造函數會傳入一個int類型的參數count，表示調動count次的countDown后主線程才可以被喚醒。

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

上面的Sync(count)就是將AQS中的state賦值為count。

3.1 await

CountDownLatch的await方法調用了AQS中的acquireSharedInterruptibly(int  arg)，傳入參數1，不過這個參數并沒有用。代碼如下：

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

Sync中實現了tryAcquireShared方法，await邏輯如下圖：

上面的自旋過程就是等待state的值不斷減小，只有state值成為0的時候，主線程才會跳出自旋執行之后的邏輯。

3.2 countDown

CountDownLatch的countDown方法調用了AQS的releaseShared(int  arg)，傳入參數1，不過這個參數并沒有用。內部類Sync實現了tryReleaseShared方法，邏輯如下圖：

3.3 總結

CountDownLatch的構造函數入參值會賦值給state變量，入隊操作是主線程入隊，每個子線程調用了countDown后state值減1，當state值成為0后喚醒主線程。

4 Semaphore

Semaphore是一個信號量，用來保護共享資源。如果線程要訪問共享資源，首先從Semaphore獲取鎖(信號量)，如果信號量的計數器等于0，則當前線程進入AQS隊列阻塞等待。否則，線程獲取鎖成功，信號量減1。使用完共享資源后，釋放鎖(信號量加1)。

Semaphore跟管程模型不一樣的是，允許多個(構造函數的permits)線程進入管程內部，因此也常用它來做限流。

UML類圖如下：

Semaphore的構造函數會傳入一個int類型參數，用來初始化state的值。

4.1 acquire

獲取鎖的操作調用了AQS中的acquireSharedInterruptibly方法，傳入參數1，代碼見CountDownLatch中await小節。Semaphore在公平鎖和非公平鎖中分別實現了tryAcquireShared方法。

4.1.1 公平鎖

Semaphore默認使用非公平鎖，如果使用公平鎖，需要在構造函數指定。獲取公平鎖邏輯比較簡單，如下圖：

4.1.2 非公平鎖

acquire在非公平的鎖唯一的區別就是不會判斷AQS隊列是否有前置節點(hasQueuedPredecessors)，而是直接嘗試獲取鎖。

除了acquire方法外，還有其他幾個獲取鎖的方法，原理類似，只是調用了AQS中的不同方法。

4.2 release

釋放鎖的操作調用了AQS中的releaseShared(int  arg)方法，傳入參數1，在內部類Sync中實現了tryReleaseShared方法，邏輯很簡單：使用CAS的方式將state的值加1，之后喚醒隊列中的后繼節點。

5 ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor中也用到了AQS，看下面的UML類圖：

Worker主要在ThreadPoolExecutor中斷線程的時候使用。Worker自己實現了獨占鎖，在中斷線程時首先進行加鎖，中斷操作后釋放鎖。按照官方說法，這里不直接使用ReentrantLock的原因是防止調用控制線程池的方法(類似setCorePoolSize)時能夠重新獲取到鎖，

5.1 tryAcquire

使用CAS的方式把AQS中state從0改為1，把當前線程置為獨占線程。

5.2 tryRelease

把獨占線程置為空，把AQS中state改為0。

Worker初始化的時候會把state置為-1，這樣是不能獲取鎖成功的。只有調用了runWorker方法，才會通過釋放鎖操作把state更為0。這樣保證了只中斷運行中的線程，而不會中斷等待中的線程。

到此，關于“State實現鎖的原理”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！