Java并发包中Lock的实现原理

1. Lock 的简介及使用

         Lock是java 1.5中引入的线程同步工具,它主要用于多线程下共享资源的控制。本质上Lock仅仅是一个接口(位于源码包中的java\util\concurrent\locks中),它包含以下方法

//尝试获取锁,获取成功则返回,否则阻塞当前线程
void lock(); 

//尝试获取锁,线程在成功获取锁之前被中断,则放弃获取锁,抛出异常 
void lockInterruptibly() throws InterruptedException; 

//尝试获取锁,获取锁成功则返回true,否则返回false 
boolean tryLock(); 

//尝试获取锁,若在规定时间内获取到锁,则返回true,否则返回false,未获取锁之前被中断,则抛出异常 
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 
                                   throws InterruptedException; 

//释放锁
void unlock(); 

//返回当前锁的条件变量,通过条件变量可以实现类似notify和wait的功能,一个锁可以有多个条件变量
Condition newCondition();

        Lock有三个实现类,一个是ReentrantLock,另两个是ReentrantReadWriteLock类中的两个静态内部类ReadLock和WriteLock。

          使用方法:多线程下访问(互斥)共享资源时, 访问前加锁,访问结束以后解锁,解锁的操作推荐放入finally块中。

Lock l = ...; //根据不同的实现Lock接口类的构造函数得到一个锁对象 
l.lock(); //获取锁位于try块的外面 
try { 
      // access the resource protected by this lock 
} finally { 
     l.unlock(); 
}

         注意,加锁位于对资源访问的try块的外部,特别是使用lockInterruptibly方法加锁时就必须要这样做,这为了防止线程在获取锁时被中断,这时就不必(也不能)释放锁。

try {
     l.lockInterruptibly();//获取锁失败时不会执行finally块中的unlock语句
      try{
          // access the resource protected by this lock
     }finally{
          l.unlock();
     }
} catch (InterruptedException e) {
     // TODO Auto-generated catch block
     e.printStackTrace();
}

2. 实现Lock接口的基本思想

          需要实现锁的功能,两个必备元素,一个是表示(锁)状态的变量(我们假设0表示没有线程获取锁,1表示已有线程占有锁),另一个是队列,队列中的节点表示因未能获取锁而阻塞的线程。为了解决多核处理器下多线程缓存不一致的问题,表示状态的变量必须声明为voaltile类型,并且对表示状态的变量和队列的某些操作要保证原子性和可见性。原子性和可见性的操作主要通过Atomic包中的方法实现。

 

      线程获取锁的大致过程(这里没有考虑可重入和获取锁过程被中断或超时的情况)

          1. 读取表示锁状态的变量

         2. 如果表示状态的变量的值为0,那么当前线程尝试将变量值设置为1(通过CAS操作完成),当多个线程同时将表示状态的变量值由0设置成1时,仅一个线程能成功,其

            它线程都会失败

            2.1 若成功,表示获取了锁,

                  2.1.1 如果该线程(或者说节点)已位于在队列中,则将其出列(并将下一个节点则变成了队列的头节点)

                  2.1.2 如果该线程未入列,则不用对队列进行维护

                  然后当前线程从lock方法中返回,对共享资源进行访问。            

             2.2 若失败,则当前线程将自身放入等待(锁的)队列中并阻塞自身,此时线程一直被阻塞在lock方法中,没有从该方法中返回(被唤醒后仍然在lock方法中,并从下一条语句继续执行,这里又会回到第1步重新开始)

        3. 如果表示状态的变量的值为1,那么将当前线程放入等待队列中,然后将自身阻塞(被唤醒后仍然在lock方法中,并从下一条语句继续执行,这里又会回到第1步重新开始)

          注意: 唤醒并不表示线程能立刻运行,而是表示线程处于就绪状态,仅仅是可以运行而已

 

      线程释放锁的大致过程

        1. 释放锁的线程将状态变量的值从1设置为0,并唤醒等待(锁)队列中的队首节点,释放锁的线程从就从unlock方法中返回,继续执行线程后面的代码

        2. 被唤醒的线程(队列中的队首节点)和可能和未进入队列并且准备获取的线程竞争获取锁,重复获取锁的过程

        注意:可能有多个线程同时竞争去获取锁,但是一次只能有一个线程去释放锁,队列中的节点都需要它的前一个节点将其唤醒,例如有队列A<-B-<C ,即由A释放锁时唤醒B,B释放锁时唤醒C

 

3. 公平锁和非公平锁

         锁可以分为公平锁和不公平锁,重入锁和非重入锁(关于重入锁的介绍会在ReentrantLock源代码分析中介绍),以上过程实际上是非公平锁的获取和释放过程。

公平锁严格按照先来后到的顺去获取锁,而非公平锁允许插队获取锁。

          公平锁获取锁的过程上有些不同,在使用公平锁时,某线程想要获取锁,不仅需要判断当前表示状态的变量的值是否为0,还要判断队列里是否还有其他线程,若队列中还有线程则说明当前线程需要排队,进行入列操作,并将自身阻塞;若队列为空,才能尝试去获取锁。而对于非公平锁,当表示状态的变量的值是为0,就可以尝试获取锁,不必理会队列是否为空,这样就实现了插队获取锁的特点。通常来说非公平锁的吞吐率比公平锁要高,我们一般常用非公平锁。

           这里需要解释一点,什么情况下才会出现,表示锁的状态的变量的值是为0而且队列中仍有其它线程等待获取锁的情况。

           假设有三个线程A、B、C。A线程为正在运行的线程并持有锁,队列中有一个C线程,位于队首。现在A线程要释放锁,具体执行的过程操作可分为两步:

            1. 将表示锁状态的变量值由1变为0,

            2. C线程被唤醒,这里要明确两点:

              (1)C线程被唤醒并不代表C线程开始执行,C线程此时是处于就绪状态,要等待操作系统的调度

              (2)C线程目前还并未出列,C线程要进入运行状态,并且通过竞争获取到锁以后才会出列。

            如果C线程此时还没有进入运行态,同时未在队列中的B线程进行获取锁的操作,B就会发现虽然当前没有线程持有锁,但是队列不为空(C线程仍然位于队列中),要满足先来后到的特点(B在C之后执行获取锁的操作),B线程就不能去尝试获取锁,而是进行入列操作。

 

4. 实现Condition接口的基本思想

         Condition 本质是一个接口,它包含如下方法

// 让线程进入等通知待状态 
void await() throws InterruptedException; 
void awaitUninterruptibly();
 
//让线程进入等待通知状态,超时结束等待状态,并抛出异常  
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; 
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; 
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; 

//将条件队列中的一个线程,从等待通知状态转换为等待锁状态 
void signal(); 

//将条件队列中的所有线程,从等待通知阻塞状态转换为等待锁阻塞状态
void signalAll();

           一个Condition实例的内部实际上维护了一个队列,队列中的节点表示由于(某些条件不满足而)线程自身调用await方法阻塞的线程。Condition接口中有两个重要的方法,即 await方法和 signal方法。线程调用这个方法之前该线程必须已经获取了Condition实例所依附的锁。这样的原因有两个,(1)对于await方法,它内部会执行释放锁的操作,所以使用前必须获取锁。(2)对于signal方法,是为了避免多个线程同时调用同一个Condition实例的singal方法时引起的(队列)出列竞争。下面是这两个方法的执行流程。

          await方法:

                            1. 入列到条件队列(注意这里不是等待锁的队列

                            2. 释放锁

                            3. 阻塞自身线程

                             ------------被唤醒后执行-------------

                            4. 尝试去获取锁(执行到这里时线程已不在条件队列中,而是位于等待(锁的)队列中,参见signal方法)

                                4.1 成功,从await方法中返回,执行线程后面的代码

                                4.2 失败,阻塞自己(等待前一个节点释放锁时将它唤醒)

         注意:await方法时自身线程调用的,线程在await方法中阻塞,并没有从await方法中返回,当唤醒后继续执行await方法中后面的代码(也就是获取锁的代码)。可以看出await方法释放了锁,又尝试获得锁。当获取锁不成功的时候当前线程仍然会阻塞到await方法中,等待前一个节点释放锁后再将其唤醒。

 

         signal方法:

                           1. 将条件队列的队首节点取出,放入等待锁队列的队尾

                           2. 唤醒该节点对应的线程

         注意:signal是由其它线程调用

condition

Lock和Condition的使用例程

           下面这个例子,就是利用lock和condition实现B线程先打印一句信息后,然后A线程打印两句信息(不能中断),交替十次后结束

public class ConditionDemo {
    volatile int key = 0;
    Lock l = new ReentrantLock();
    Condition c = l.newCondition();
    
    public static  void main(String[] args){
        ConditionDemo demo = new ConditionDemo();
        new Thread(demo.new A()).start();
        new Thread(demo.new B()).start();
    }
    
    class A implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            int i = 10;
            while(i > 0){
                l.lock();
                try{
                    if(key == 1){
                        System.out.println("A is Running");
                        System.out.println("A is Running");
                        i--;
                        key = 0;
                        c.signal();
                    }else{
                     c.awaitUninterruptibly();                        
                    }
                    
                }
                finally{
                    l.unlock();
                }
            }
        }
        
    }
    
    class B implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            int i = 10;
            while(i > 0){
                l.lock();
                try{
                    if(key == 0){
                        System.out.println("B is Running");
                        i--;
                        key = 1;
                        c.signal();
                    }else{
                     c.awaitUninterruptibly();                        
                    }
                    
                }
                finally{
                    l.unlock();
                }
            }
        }    
    }
}

5. Lock与synchronized的区别

          1. Lock的加锁和解锁都是由java代码配合native方法(调用操作系统的相关方法)实现的,而synchronize的加锁和解锁的过程是由JVM管理的

          2. 当一个线程使用synchronize获取锁时,若锁被其他线程占用着,那么当前只能被阻塞,直到成功获取锁。而Lock则提供超时锁和可中断等更加灵活的方式,在未能获取锁的     条件下提供一种退出的机制。

          3. 一个锁内部可以有多个Condition实例,即有多路条件队列,而synchronize只有一路条件队列;同样Condition也提供灵活的阻塞方式,在未获得通知之前可以通过中断线程以    及设置等待时限等方式退出条件队列。

         4. synchronize对线程的同步仅提供独占模式,而Lock即可以提供独占模式,也可以提供共享模式

posted @ 2015-11-16 13:38 nullzx 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏