Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁

Posted 2020-09-30

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