JAVA REENTRANTLOCK、SEMAPHORE 的实现与 AQS 框架

引言

ReentrantLock是JDK提供的一个可重入互斥锁,所谓可重入就是同一个锁允许被已经获得该锁的线程重新获得。可重入锁的好处可以在递归算法中使用锁,不可重入锁则导致无法在递归算法中使用锁。因为第二次递归时由于第一次递归已经占有锁,而导致死锁。本文我们将探讨JDK中ReentrantLock的实现。

Semaphore是JDK提供的一个可共享的同步组建,有n个许可,多个线程可以共同去获得许可,当线程申请的许可小于n时即可成功申请,否则申请失败。

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java实现同步组建的基础框架,一般以静态内部类的形式实现在某个同步组件类中,通过代理的方式向外提供同步服务,ReentrantLock和Semaphore都是基于AQS实现的同步组件,前者是独占式同步组建,即一个线程获得后,其他线程无法获得。后者是共享式同步组件,一个线程获得后,在满足的条件下,其他线程也可以获得。

AQS工作原理

AQS是Java实现同步组建的基础框架,其基本思想是用一个volatile int state变量来表示当前同步组件的状态,用getState()获取同步组件的状态,用compareAndSet(int expect, int update)来对state状态进行操作,compareAndSet可以保证对state变量更新值的原子性。AQS中很多方法是final的,即不允许用户覆盖,用户自定义的方法一般有:

  • tryAcquire: 独占式获取同步状态,该函数一般首先查询state的值,如果state不允许继续被获取,直接返回false。如果state允许继续被获取,CAS尝试更新state的值,成功返回true,失败返回false
  • tryAcquireShared:共享式的获取同步状态,该一般是在CAS死循环获取state的值,计算state被获取后的值,如果该值为负数,直接返回负数表示失败,如果该值为正值,则用CAS更新该值,当CAS更新失败时,重复上述步骤,直至返回负数或CAS更新成功返回正值。
  • tryRelease:独占式的释放同步状态
  • tryReleaseShared:共享式的释放同步状态,一般在CAS死循环中反复尝试,直至释放成功
  • isHeldExclusively:判断当前同步器是否被当前线程占有

AQS提供的模板方法有:

  • acquire:独占式的获取同步状态,获取成功则返回,获取失败则会进入等待队列,该方法会调用用户自定义的tryAcquire函数
  • acquireInterruptibly:与acquire类似,不同在于当进入等待队列时,遇到中断会抛出InterruptedException异常,用户可以处理该中断异常
  • tryAcquireNanos:在acquireInterruptibly的基础上增加了时间限制,一定时间内没有成功获取则返回false
  • acquireShared:共享式的获取同步状态,成功则返回,失败则进入等待队列,该方法会调用用户自定义的tryAcquired函数
  • acquireSharedInterruptibly:在等待队列可以相应中断,与上类似
  • tryAcquireShared:在acquireSharedInterruptibly增加了超时限制
  • release:独占式的释放同步状态,会调用用户自定义tryRelease函数
  • releaseShared:共享式的释放同步状态,会调用用户自定义tryReleaseShared函数
  • getQueuedThreads:获取等待队列线程集合

ReentrantLock源码分析

ReentrantLock的默认构造函数是

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
}

NonfairSync继承了Sync,Sync是一个抽象类,并继承了抽象类AbstractQueuedSynchronizer。
ReentrantLock是一个独占式的锁,所以它需要实现tryAcquire函数和tryRelease函数

tryAcquire函数源码如下

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

nonfairTryAcquire(acquires)源码如下

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;
}
  • 先得到当前线程
  • 查询当前state值,如果为0则说明当前锁还未被其他线程获取,则尝试CAS获得锁,成功则把占有锁的线程设置为当前线程,返回true。失败返回false。
  • 如果state不为0则说明该锁已经被其他线程获取,则检查获得锁的线程是否是当前线程以实现可重入特性,如果是,则更新state的值,并返回true。此处更新不需要CAS,因为只有当前线程可以操作state。
  • 其他情况返回false

tryRelease函数源码如下

protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
}
  • 首先得到释放之后的状态值c
  • 检查当前释放锁的线程,如果不是已占有锁的线程则抛出异常,因为ReentrantLock是独占式锁,释放锁的线程一定是占有锁的线程
  • 如果c是等于0的,说明获取锁的所有函数都已经返回,则锁释放成功
  • 如果c不等于0,说明只是部分递归的函数返回,部分递归函数还未返回,则释放失败,锁依然被占有

Lock函数源码

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

sunc的lock函数

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

该函数首先直接尝试CAS操作,成功则设置当前函数为占有锁的函数,返回,失败则调用acquire函数。acquire函数为AQS实现的模板方法,它尝试获得锁,成功则返回,不成功则进入等待队列直至获取成功。

unLock函数源码

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

调用tryRelease函数释放锁。

Semaphore的源码

Semaphore构造函数如下:

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

与ReentrantLock代码结构非常相似。Semaphore是一个共享式的同步组建,它应该实现tryAcquireShared和tryReleaseShared

tryAcquireShared函数源码:

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}

nonfairTryAcquireShared源码:

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
}
  • 函数首先取得当前的可用许可数,并计算被获取acquires个许可后剩余的许可数。
  • 如果剩余的许可数小于0直接返回剩余的许可数,即负值
  • 如果大于0则尝试使用CAS循环更新state的值,更新失败则重试上述步骤,直至返回负值更新失败,或者返回非负值更新成功。

tips:与独占式的tryAcquire逻辑不太一样,独占式的tryAcquire在CAS操作失败后,直接返回失败。本人觉得共享式的tryAcquiredShared在CAS操作失败后,因为组件是共享的,所以再次尝试获取同步组件成功的可能性较大,所以在CAS失败后,尝试再次更新。而独占式的CAS更新失败后,组件已经被其他线程获取,再次尝试成功的可能性较小,所以没有重新尝试。纯属个人观点。

tryReleasedShared源码

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            int current = getState();
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
}
  • 函数计算释放后的state值并验证是否溢出
  • CAS更新state的值直至成功

acquire函数源码

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

acquireSharedInterruptibly为AQS提供的模板方法,调用了tryAcquireShared,成功直接返回,不成功加入等待队列,并添加了处理中断的机制

release函数源码

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

releaseShared为AQS提供的模板方法,调用了tryReleaseShared

总结

完整的ReentrantLock和Semaphore实现非常复杂,本文旨在介绍AQS框架,并通过ReentrantLock和Semaphore一个独占式的同步组件和一个非独占式的同步组件来学习怎么使用AQS实现通组件,具体来说分为以下步骤:

  • 待实现的同步组件是独占式的还是共享式的
  • 独占式的同步组件实现tryAcquire和tryRelease,非独占式的实现tryAcquireShared和tryReleaseShared
  • 将我们实现的同步组建相应的方法如Lock和unLock代理到AQS对应的函数包括用户自定义的函数和AQS提供的模板函数

AQS的方便之处在于我们只需要实现tryAcquire和tryRelease或tryAcquireShared和tryReleaseShared就可以使用AQS帮我们实现好的阻塞的acquire函数,可中断的acquire函数,带超时的acquire函数等模板函数,大大简化了用户的开发量和难度。



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