Lock+Condition实现机制
前言：大部分多线程同步场景，在功能和性能层面，synchronized可以满足，少部分场景Lock可以满足，dubbo的源码也符合这个比例，需要使用到Condition的场景极少，整个dubbo源码中只在启动函数中，服务关闭这一处使用到了Lock+Condition机制。
1.Lock+Condition用法
生产者，消费者模式在面试coding中出场率很高，可以用synchronized+wait+ notify来实现，也可以使用Lock+Condition实现。直接上代码
public class LockConditionTest {
private LinkedList<String> queue=new LinkedList<String>();
private Lock lock = new ReentrantLock();
private int maxSize = 5;
private Condition providerCondition = lock.newCondition();
private Condition consumerCondition = lock.newCondition();
public void provide(String value){
try {
lock.lock();
while (queue.size() == maxSize) {
providerCondition.await();
}
queue.add(value);
consumerCondition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public String consume(){
String result = null;
try {
lock.lock();
while (queue.size() == 0) {
consumerCondition.await();
}
result = queue.poll();
providerCondition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
return result;
}
public static void main(String[] args) {
LockConditionTest t = new LockConditionTest();
new Thread(new Provider(t)).start();
new Thread(new Consumer(t)).start();
}
}
以两个问题驱动
1.队列满了，生产者线程怎么停下来的？队列从满又变为不满的时候，怎么重新激活。
2.队列空了，消费者线程如何停下来，又如何重新开始消费。
一步一步解答这两个问题
2.ReentrantLock
ReentrantLock初始化的时候，默认是初始化一个NonfairSync。
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
核心代码在AbstractQueuedSynchronizer中,只看数据结构的话，这是一个基于Node,带头指针和尾指针的双向链表，每一个Node里面存一个线程，以及该线程的等待状态
static final class Node {
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
}
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;
那么，ReentrantLock在lock和unlock的时候，操作的就是这个双向链表sync queue。
先看获取锁的过程
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;
}
1.如果这个锁没有任何线程持有，那么当前线程直接可以获得。（这是非公平锁的设计，如果是公平锁，需要检查是否有线程在排队，如果有，当前线程不能直接抢占，也要加入排队。）
2.如果这个锁被占用了，占用线程是当前线程，那么state+1，这也是可重入锁之所以可以重入的由来。
3.都不满足，暂时获取锁失败，返回false
那么如果在3这一步获取锁失败，后续如何处理呢？
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
1.addWaiter：在等待队列sync queue中添加一个节点
2.acquireQueued：节点自旋获取锁或者进入阻塞
addWaiter比较简单，即把当前等待线程加入sync queue的尾节点。
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
acquireQueued具体做了什么呢？
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
1.自旋
2.如果当前就一个线程在等待，那么尝试获取锁。（判断条件：当前节点的前驱为head，即head.next = 当前节点）
3.不满足2，如果满足进入阻塞的条件，调用LockSupport.park(this)进入阻塞。
一句话总结lock的过程：当前线程直接去尝试获取锁，不成功，则加入sync queue尾节点进行阻塞等待（非公平）。
在看unlock的过程
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
1.先释放当前线程占有的锁，核心就是维护state的值。加一次锁，state+1，释放反之。
2.unparkSuccessor ：之前提到，lock的时候，会维护一个排队的双向队列sync queue，此时，会unpark唤醒其中的head.next，使其进入锁竞争状态。
注：公平锁，非公平锁加锁的过程小有区别，一个是抢占式的，一个是排队式的，释放锁的过程则是完全相同的。
3.Condition
先看类图
用过Object的wait，notify的对这些方法应该不陌生，对应这里的await和signal
先看await
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
1.构造一个Node，形成一个单向链表condition queue，存储用于await在某一个condition上的线程。
2.释放当前Node持有的锁。这个释放过程跟之前提到的unlock过程类似。
3.LockSupport.park进行阻塞，等待signal的唤醒。
4.如果被唤醒，继续加入锁的竞争中去。
在看signal
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
在某个condition进行await的时候，形成了一个单向链表condition queue。
那么在signal的时候，先对头结点firstWaiter进行唤醒。
唤醒的过程见下
final boolean transferForSignal(Node node) {
/*
* If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
*/
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
/*
* Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
* indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
* attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
* case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
*/
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
1.将这个头结点，从condition queue中移到之前提到的sync queue中。
2.LockSupport.unpark唤醒这个节点中的线程，进行锁争夺。
4 总结
ReentrantLock lock依赖的是一个双向链表sync queue
condition依赖的是一个单项链表condition queue
二者的阻塞和唤醒依赖的都是LockSupport的park和unpark方法。
公平锁与非公平锁的区别就在于获取锁的方式不同，公平锁获取，当前线程必须检查sync queue里面是否已经有排队线程。而非公平锁则不用考虑这一点，当前线程可以直接去获取锁。
开篇实现生产者消费者模型的时候，有两个问题，现在有答案了
1.队列满了，生产者线程怎么停下来的？队列从满又变为不满的时候，怎么重新激活。
---通过lock机制，保证同一时刻，只有一个线程获取到锁，要么生产，要么消费，队列满了之后，生产者线程调用providerCondition.await()，进入阻塞等待状态，使得生产者线程停下来。当消费线程消费的时候，调用 providerCondition.signal()，重新激活生产者线程。
2.队列空了，消费者线程如何停下来，又如何重新开始消费。
---与第一个问题同理。
作者：北交吴志炜
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