从ReentrantLock实例分析AbstractQueuedSynchronizer和ConditionObject

Posted 2022-09-19 csdeblog

1.实例：3个线程交替打印1，2，3一定次数

代码如下：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TestReentrantLock 

    private static final int times = 12;
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) 
        // 实现1，2，3交替打印times次
        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition1 = lock.newCondition();
        Condition condition2 = lock.newCondition();
        Condition condition3 = lock.newCondition();

        Thread print1 = new Thread(() -> 
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < times; i++) 
                try 
                    while (count % 3 != 0)
                        condition3.await();
                    print(1);
                    count++;
                    condition1.signal();
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            lock.unlock();
        );

        Thread print2 = new Thread(() -> 
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < times; i++) 
                try 
                    while (count % 3 != 1)
                        condition1.await();
                    print(2);
                    count++;
                    condition2.signal();
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            lock.unlock();
        );

        Thread print3 = new Thread(() -> 
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < times; i++) 
                try 
                    while (count % 3 != 2)
                        condition2.await();
                    print(3);
                    count++;
                    condition3.signal();
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            lock.unlock();
        );

        print1.start();
        print2.start();
        print3.start();
    

    private static void print(int num) 
        System.out.print(num);
    

运行结果：

 

 

 2.源码分析

首先3个线程启动后会执行lock方法，这个方法底层是AQS实现的。

ReentrantLock默认非公平锁，所以lock方法会首先尝试通过CAS直接获取锁，如果获取失败执行acquire(1)函数。

这里只有一个线程会获取成功，假设是线程2，那么此时state=1，exclusiveOwnerThread=Thread-1，队列的头尾指针都为null。

 

然后针对线程2，会进入循环开始准备打印，但此时由于1还没有打印，所以会执行condition1.await()这行；

具体进入源码，此时会执行addConditionWaiter()这个函数，将创建一个Node(thread-1，waitStatus=CONDITION)并加入condition1的队列中并返回这个节点。

然后会执行fullyRelease(node)，具体是调用release(savedState)彻底释放锁，所以这里saveState是state的值。

            这里release会首先调用tryRelease方法尝试释放，这个方法是由ReentrantLock中的Sync类实现的。

                          这里会将state置为0，exclusiveOwnerThread置为null，返回true。

           然后当前锁队列为空，release函数返回true。

这时fullyRelease返回savedState即1。

然后会进入循环判断node是否在锁队列中，这里显然不在，所以进入循环。

然后会执行LockSupport.park(this)挂起当前线程。

 

这个时候lock对象state=0,exclusiveOwnerThread=null,队列也为空。

condition1队列如下图，condition2,condition3都为空。

 

 

 

 

假设现在到thread1执行，首先通过CAS获取锁，值state=1,exclusiveOwnerThread=thread-0。

然后不进入循环，直接打印1，将count加1，然后执行condition1.signal()。

这里会执行doSignal方法，将condition1队列的那个节点作为参数。

　　在doSignal方法中，会将节点从队列移除，此时condition1队列为空。

　　　　　然后会执行transferForSignal方法，这里会调用enq方法将节点加入锁队列，即sync队列。

                　　 调用结束后sync队列如下图所示，然后transferForSignal方法返回true。

　　　　　　  

然后doSingal方法结束，signal方法也结束。

此时锁还是线程1持有，3个条件队列都为空，然后进入下一次循环，此时count=1，需要执行condition3.await()。

首先创建节点加入condition3的队列，然后调用fullyRelease方法释放锁。fullyRelease会调用release方法释放锁，

　　这里release在执行完tryRelease后，与上一次不同的是这次sync队列不为空，会执行unparkSuccessor函数，传入参数是head。

　　　　这个函数会选择第一个合适的节点进行唤醒，这里就是唤醒了线程2。

　　唤醒后整个fullyRelease方法结束。后面由于线程1不在sync队列，会被挂起。

 

这个时候lock对象state=0,exclusiveOwnerThread=null,sync队列如下图。

 

 然后conditon3队列中存着线程1节点，condition1,condition2都为空。

线程1被挂起，线程2被唤醒。

 

如果这时线程3被执行，那么通过CAS得到了锁，lock对象state=1,exclusiveOwnerThread=thread-2。

那么这时对于线程2，在执行acquireQueued方法时调用tryRequire就会失败，然后会去调用shouldParkAfterFailedAcquire方法，

方法参数p为head,node为线程2对应节点。

这个方法将head节点的waitStatus置为SIGNAL，返回false。

这时会进行新的一次循环，这次在调用shouldParkAfterFailedAcquire时会返回true，这时会执行方法parkAndCheckInterrupt()。

这个方法会挂起当前线程，即线程2。

 

 

对于线程3这时由于count=1,所以执行condition2.await()方法。

首先创建节点加入condition2队列，然后调用fullyRelease释放锁，通过release函数调用tryRelease成功后，lock对象state=0,exclusiveOwnerThread=null。

然后会执行unparkSuccessor函数，重新唤醒线程2。再然后线程3由于不在sync队列，所以被挂起。

 

然后线程2这时执行acquireQueued方法，成功获取到了锁，将从sync队列中删去这个节点，此时lock对象state=1,exclusiveOwnerThread=thread-1。

condition1队列为空，condition2,condition3队列分别存储线程1和线程3对应的节点。

线程2获取到锁后，await方法执行结束。此时count=1跳出循环，然后打印2，count加1，调用condition2.signal()。

这里过程与之前线程1执行condition1.signal()类似，将线程3对应节点加入sync队列，并从condition2队列中移除。

然后是不满足循环条件，执行condition1.await()函数，首先将创建节点加入condition1队列，然后fullyRelease释放锁，再通过unparkSuccessor唤醒线程3。

最后由于线程2不在sync队列，被挂起。

 

这时线程3与线程2类似，先通过acquireQueued拿到锁并将节点从sync队列移除，condition2.await方法执行结束，然后跳出循环，打印3，然后count++，再执行

condition3.signal方法将线程1节点从condition3队列删除，加入sync队列。

然后再次循环不满足条件，执行condition2.await方法，将线程3节点加入condition2队列，然后通过tryRelease释放锁，通过unparkSuccessor唤醒线程1，自身由于不在

sync队列被挂起。

 

后续过程与以上类似，不再分析。

 

通过分析可以看出，在调用condition.signal()时，只是将condition队列上的第一个节点移到了sync队列，并不释放锁；

condition.await()会将当前线程的节点加入条件队列，然后释放锁，释放后如果有线程在sync队列就进行唤醒第一个合适的。之后会因为不在sync队列而被挂起。