Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁(一)

基本概念

本章,我们会讲解“线程获取公平锁”的原理;在讲解之前,需要了解几个基本概念。后面的内容,都是基于这些概念的;这些概念可能比较枯燥,但从这些概念中,能窥见“java锁”的一些架构,这对我们了解锁是有帮助的。
1. AQS -- 指AbstractQueuedSynchronizer类。
    AQS是java中管理“锁”的抽象类,锁的许多公共方法都是在这个类中实现。AQS是独占锁(例如,ReentrantLock)和共享锁(例如,Semaphore)的公共父类。

2. AQS锁的类别 -- 分为“独占锁”和“共享锁”两种。
    (01) 独占锁 -- 锁在一个时间点只能被一个线程锁占有。根据锁的获取机制,它又划分为“公平锁”和“非公平锁”。
公平锁,是按照通过CLH等待线程按照先来先得的规则,公平的获取锁;而非公平锁,则当线程要获取锁时,它会无视CLH等待队列而直接获取锁。独占锁的典
型实例子是ReentrantLock,此外,ReentrantReadWriteLock.WriteLock也是独占锁。
    (02) 共享锁 -- 能被多个线程同时拥有,能被共享的锁。JUC包中的ReentrantReadWriteLock.ReadLock,CyclicBarrier, CountDownLatch和Semaphore都是共享锁。这些锁的用途和原理,在以后的章节再详细介绍。

3. CLH队列 -- Craig, Landin, and Hagersten lock queue
 
 
CLH队列是AQS中“等待锁”的线程队列。在多线程中,为了保护竞争资源不被多个线程同时操作而起来错误,我们常常需要通过锁来保护这些资源。在独占锁
中,竞争资源在一个时间点只能被一个线程锁访问;而其它线程则需要等待。CLH就是管理这些“等待锁”的线程的队列。
    CLH是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候,在并发条件下不会阻塞,而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。

4. CAS函数 -- Compare And Swap 
    CAS函数,是比较并交换函数,它是原子操作函数;即,通过CAS操作的数据都是以原子方式进行的。例如,compareAndSetHead(), compareAndSetTail(), compareAndSetNext()等函数。它们共同的特点是,这些函数所执行的动作是以原子的方式进行的。

本章是围绕
“公平锁”如何获取锁而层次展开。“公平锁”涉及到的知识点比较多,但总的来说,不是特别难;如果读者能读懂AQS和
ReentrantLock.java这两个类的大致意思,理解锁的原理和机制也就不成问题了。本章只是作者本人对锁的一点点理解,希望这部分知识能帮助
您了解“公平锁”的获取过程,认识“锁”的框架。

ReentrantLock数据结构

ReentrantLock的UML类图

从图中可以看出:
(01) ReentrantLock实现了Lock接口。
(02)

ReentrantLock与sync是组合关系。ReentrantLock中,包含了Sync对象;而且,Sync是AQS的子类;更重要的
是,Sync有两个子类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)。ReentrantLock是一个独占锁,至于它到底是公平锁
还是非公平锁,就取决于sync对象是"FairSync的实例"还是"NonFairSync的实例"。

获取公平锁(基于JDK1.7.0_40)

我们知道,获取锁是通过lock()函数。下面,我们以lock()对获取公平锁的过程进行展开。

1. lock()

lock()在ReentrantLock.java的FairSync类中实现,它的源码如下:

final void lock() {
    acquire(1);
}

说明:“当前线程”实际上是通过acquire(1)获取锁的。
        这里说明一下“1”的含义,它是设置“锁的状态”的参数。对于“独占锁”而言,锁处于可获取状态时,它的状态值是0;锁被线程初次获取到了,它的状态值就变成了1。
 
     
由于ReentrantLock(公平锁/非公平锁)是可重入锁,所以“独占锁”可以被单个线程多此获取,每获取1次就将锁的状态+1。也就是说,初次获
取锁时,通过acquire(1)将锁的状态值设为1;再次获取锁时,将锁的状态值设为2;依次类推...这就是为什么获取锁时,传入的参数是1的原因
了。
        可重入就是指锁可以被单个线程多次获取。

2. acquire()

acquire()在AQS中实现的,它的源码如下:

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

(01) “当前线程”首先通过tryAcquire()尝试获取锁。获取成功的话,直接返回;尝试失败的话,进入到等待队列排序等待(前面还有可能有需要线程在等待该锁)。
(02) “当前线程”尝试失败的情况下,先通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)来将“当前线程”加入到"CLH队列(非阻塞的FIFO队列)"末尾。CLH队列就是线程等待队列。
(03) 再执行完addWaiter(Node.EXCLUSIVE)之后,会调用acquireQueued()来获取锁。由于此时ReentrantLock是公平锁,它会根据公平性原则来获取锁。
(04) “当前线程”在执行acquireQueued()时,会进
入到CLH队列中休眠等待,直到获取锁了才返回!如果“当前线程”在休眠等待过程中被中断过,acquireQueued会返回true,此时"当前线
程"会调用selfInterrupt()来自己给自己产生一个中断。至于为什么要自己给自己产生一个中断,后面再介绍。

一. tryAcquire()

1. tryAcquire()

公平锁的tryAcquire()在ReentrantLock.java的FairSync类中实现,源码如下:

参考:

http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3496147.html

时间: 08-01

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