12-ReentrantLock
Re-Lock
锁对比
ReentrantLock 相对于 synchronized 具备如下特点：
- 锁的实现：synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的
- 性能：新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同
- 使用：ReentrantLock 需要手动解锁，synchronized 执行完代码块自动解锁
- 可中断：ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行
- 公平锁：公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁
- ReentrantLock 可以设置公平锁，synchronized 中的锁是非公平的
- 不公平锁的含义是阻塞队列内公平，队列外非公平
- 锁超时：尝试获取锁，超时获取不到直接放弃，不进入阻塞队列
- ReentrantLock 可以设置超时时间，synchronized 会一直等待
- 锁绑定多个条件：一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象，更细粒度的唤醒线程
- 两者都是可重入锁
使用锁
构造方法：ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
ReentrantLock 类 API：
-
public void lock()：获得锁-
如果锁没有被另一个线程占用，则将锁定计数设置为 1
-
如果当前线程已经保持锁定，则保持计数增加 1
-
如果锁被另一个线程保持，则当前线程被禁用线程调度，并且在锁定已被获取之前处于休眠状态
-
-
public void unlock()：尝试释放锁- 如果当前线程是该锁的持有者，则保持计数递减
- 如果保持计数现在为零，则锁定被释放
- 如果当前线程不是该锁的持有者，则抛出异常
基本语法：
// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
// 临界区
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}公平锁
基本使用
构造方法：ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true)
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}ReentrantLock 默认是不公平的：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}说明：公平锁一般没有必要，会降低并发度
非公原理
加锁
NonfairSync 继承自 AQS
public void lock() {
sync.lock();
}-
没有竞争：ExclusiveOwnerThread 属于 Thread-0，state 设置为 1
// ReentrantLock.NonfairSync#lock final void lock() { // 用 cas 尝试（仅尝试一次）将 state 从 0 改为 1, 如果成功表示【获得了独占锁】 if (compareAndSetState(0, 1)) // 设置当前线程为独占线程 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1);//失败进入 } -
第一个竞争出现：Thread-1 执行，CAS 尝试将 state 由 0 改为 1，结果失败（第一次），进入 acquire 逻辑
// AbstractQueuedSynchronizer#acquire public final void acquire(int arg) { // tryAcquire 尝试获取锁失败时, 会调用 addWaiter 将当前线程封装成node入队，acquireQueued 阻塞当前线程， // acquireQueued 返回 true 表示挂起过程中线程被中断唤醒过，false 表示未被中断过 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 如果线程被中断了逻辑来到这，完成一次真正的打断效果 selfInterrupt(); }
-
进入 tryAcquire 尝试获取锁逻辑，这时 state 已经是1，结果仍然失败（第二次），加锁成功有两种情况：
- 当前 AQS 处于无锁状态
- 加锁线程就是当前线程，说明发生了锁重入
// ReentrantLock.NonfairSync#tryAcquire protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } // 抢占成功返回 true，抢占失败返回 false final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); // state 值 int c = getState(); // 条件成立说明当前处于【无锁状态】 if (c == 0) { //如果还没有获得锁，尝试用cas获得，这里体现非公平性: 不去检查 AQS 队列是否有阻塞线程直接获取锁 if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 获取锁成功设置当前线程为独占锁线程。 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 如果已经有线程获得了锁, 独占锁线程还是当前线程, 表示【发生了锁重入】 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 更新锁重入的值 int nextc = c + acquires; // 越界判断，当重入的深度很深时，会导致 nextc < 0，int值达到最大之后再 + 1 变负数 if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 更新 state 的值，这里不使用 cas 是因为当前线程正在持有锁，所以这里的操作相当于在一个管程内 setState(nextc); return true; } // 获取失败 return false; } -
接下来进入 addWaiter 逻辑，构造 Node 队列（不是阻塞队列），前置条件是当前线程获取锁失败，说明有线程占用了锁
- 图中黄色三角表示该 Node 的 waitStatus 状态，其中 0 为默认正常状态
- Node 的创建是懒惰的，其中第一个 Node 称为 Dummy（哑元）或哨兵，用来占位，并不关联线程
// AbstractQueuedSynchronizer#addWaiter，返回当前线程的 node 节点 private Node addWaiter(Node mode) { // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; // 快速入队，如果 tail 不为 null，说明存在队列 if (pred != null) { // 将当前节点的前驱节点指向 尾节点 node.prev = pred; // 通过 cas 将 Node 对象加入 AQS 队列，成为尾节点，【尾插法】 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node;// 双向链表 return node; } } // 初始时队列为空，或者 CAS 失败进入这里 enq(node); return node; }// AbstractQueuedSynchronizer#enq private Node enq(final Node node) { // 自旋入队，必须入队成功才结束循环 for (;;) { Node t = tail; // 说明当前锁被占用，且当前线程可能是【第一个获取锁失败】的线程，【还没有建立队列】 if (t == null) { // 设置一个【哑元节点】，头尾指针都指向该节点 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { // 自旋到这，普通入队方式，首先赋值尾节点的前驱节点【尾插法】 node.prev = t; // 【在设置完尾节点后，才更新的原始尾节点的后继节点，所以此时从前往后遍历会丢失尾节点】 if (compareAndSetTail(t, node)) { //【此时 t.next = null，并且这里已经 CAS 结束，线程并不是安全的】 t.next = node; return t; // 返回当前 node 的前驱节点 } } } }
-
线程节点加入队列成功，进入 AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued 逻辑阻塞线程
-
acquireQueued 会在一个自旋中不断尝试获得锁，失败后进入 park 阻塞
-
如果当前线程是在 head 节点后，会再次 tryAcquire 尝试获取锁，state 仍为 1 则失败（第三次）
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // true 表示当前线程抢占锁失败，false 表示成功 boolean failed = true; try { // 中断标记，表示当前线程是否被中断 boolean interrupted = false; for (;;) { // 获得当前线程节点的前驱节点 final Node p = node.predecessor(); // 前驱节点是 head, FIFO 队列的特性表示轮到当前线程可以去获取锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 获取成功, 设置当前线程自己的 node 为 head setHead(node); p.next = null; // help GC // 表示抢占锁成功 failed = false; // 返回当前线程是否被中断 return interrupted; } // 判断是否应当 park，返回 false 后需要新一轮的循环，返回 true 进入条件二阻塞线程 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) // 条件二返回结果是当前线程是否被打断，没有被打断返回 false 不进入这里的逻辑 // 【就算被打断了，也会继续循环，并不会返回】 interrupted = true; } } finally { // 【可打断模式下才会进入该逻辑】 if (failed) cancelAcquire(node); } }- 进入 shouldParkAfterFailedAcquire 逻辑，将前驱 node 的 waitStatus 改为 -1，返回 false；waitStatus 为 -1 的节点用来唤醒下一个节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; // 表示前置节点是个可以唤醒当前节点的节点，返回 true if (ws == Node.SIGNAL) return true; // 前置节点的状态处于取消状态，需要【删除前面所有取消的节点】, 返回到外层循环重试 if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); // 获取到非取消的节点，连接上当前节点 pred.next = node; // 默认情况下 node 的 waitStatus 是 0，进入这里的逻辑 } else { // 【设置上一个节点状态为 Node.SIGNAL】，返回外层循环重试 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } // 返回不应该 park，再次尝试一次 return false; }- shouldParkAfterFailedAcquire 执行完毕回到 acquireQueued ，再次 tryAcquire 尝试获取锁，这时 state 仍为 1 获取失败（第四次）
- 当再次进入 shouldParkAfterFailedAcquire 时，这时其前驱 node 的 waitStatus 已经是 -1 了，返回 true
- 进入 parkAndCheckInterrupt， Thread-1 park（灰色表示）
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { // 阻塞当前线程，如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效 LockSupport.park(this); // 判断当前线程是否被打断，清除打断标记 return Thread.interrupted(); } -
-
再有多个线程经历竞争失败后：
解锁
ReentrantLock#unlock：释放锁
public void unlock() {
sync.release(1);
}Thread-0 释放锁，进入 release 流程
-
进入 tryRelease，设置 exclusiveOwnerThread 为 null，state = 0
-
当前队列不为 null，并且 head 的 waitStatus = -1，进入 unparkSuccessor
// AbstractQueuedSynchronizer#release public final boolean release(int arg) { // 尝试释放锁，tryRelease 返回 true 表示当前线程已经【完全释放锁，重入的释放了】 if (tryRelease(arg)) { // 队列头节点 Node h = head; // 头节点什么时候是空？没有发生锁竞争，没有竞争线程创建哑元节点 // 条件成立说明阻塞队列有等待线程，需要唤醒 head 节点后面的线程 if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }// ReentrantLock.Sync#tryRelease protected final boolean tryRelease(int releases) { // 减去释放的值，可能重入 int c = getState() - releases; // 如果当前线程不是持有锁的线程直接报错 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 是否已经完全释放锁 boolean free = false; // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才完全释放锁成功 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } // 当前线程就是持有锁线程，所以可以直接更新锁，不需要使用 CAS setState(c); return free; } -
进入 AbstractQueuedSynchronizer#unparkSuccessor 方法，唤醒当前节点的后继节点
- 找到队列中距离 head 最近的一个没取消的 Node，unpark 恢复其运行，本例中即为 Thread-1
- 回到 Thread-1 的 acquireQueued 流程
private void unparkSuccessor(Node node) { // 当前节点的状态 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) // 【尝试重置状态为 0】，因为当前节点要完成对后续节点的唤醒任务了，不需要 -1 了 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 找到需要 unpark 的节点，当前节点的下一个 Node s = node.next; // 已取消的节点不能唤醒，需要找到距离头节点最近的非取消的节点 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // AQS 队列【从后至前】找需要 unpark 的节点，直到 t == 当前的 node 为止，找不到就不唤醒了 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 说明当前线程状态需要被唤醒 if (t.waitStatus <= 0) // 置换引用 s = t; } // 【找到合适的可以被唤醒的 node，则唤醒线程】 if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }从后向前的唤醒的原因：enq 方法中，节点是尾插法，首先赋值的是尾节点的前驱节点，此时前驱节点的 next 并没有指向尾节点，从前遍历会丢失尾节点
-
唤醒的线程会从 park 位置开始执行，如果加锁成功（没有竞争），会设置
- exclusiveOwnerThread 为 Thread-1，state = 1
- head 指向刚刚 Thread-1 所在的 Node，该 Node 会清空 Thread
- 原本的 head 因为从链表断开，而可被垃圾回收（图中有错误，原来的头节点的 waitStatus 被改为 0 了）
-
如果这时有其它线程来竞争**（非公平）**，例如这时有 Thread-4 来了并抢占了锁
- Thread-4 被设置为 exclusiveOwnerThread，state = 1
- Thread-1 再次进入 acquireQueued 流程，获取锁失败，重新进入 park 阻塞
公平原理
与非公平锁主要区别在于 tryAcquire 方法：先检查 AQS 队列中是否有前驱节点，没有才去 CAS 竞争
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 先检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有(false)才去竞争
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 锁重入
return false;
}
}public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
// 头尾指向一个节点，链表为空，返回false
return h != t &&
// 头尾之间有节点，判断头节点的下一个是不是空
// 不是空进入最后的判断，第二个节点的线程是否是本线程，不是返回 true，表示当前节点有前驱节点
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}可重入
可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁，如果不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住，直接造成死锁
源码解析参考：nonfairTryAcquire(int acquires)) 和 tryRelease(int releases)
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
method1();
}
public static void method1() {
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " execute method1");
method2();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void method2() {
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " execute method2");
} finally {
lock.unlock();
}
}在 Lock 方法加两把锁会是什么情况呢？
- 加锁两次解锁两次：正常执行
- 加锁两次解锁一次：程序直接卡死，线程不能出来，也就说明申请几把锁，最后需要解除几把锁
- 加锁一次解锁两次：运行程序会直接报错
public void getLock() {
lock.lock();
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
} finally {
lock.unlock();
//lock.unlock();
}
}可打断
基本使用
public void lockInterruptibly()：获得可打断的锁
- 如果没有竞争此方法就会获取 lock 对象锁
- 如果有竞争就进入阻塞队列，可以被其他线程用 interrupt 打断
注意：如果是不可中断模式，那么即使使用了 interrupt 也不会让等待状态中的线程中断
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
System.out.println("尝试获取锁");
lock.lockInterruptibly();
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("没有获取到锁，被打断，直接返回");
return;
}
try {
System.out.println("获取到锁");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
lock.lock();
t1.start();
Thread.sleep(2000);
System.out.println("主线程进行打断锁");
t1.interrupt();
}实现原理
-
不可打断模式：即使它被打断，仍会驻留在 AQS 阻塞队列中，一直要等到获得锁后才能得知自己被打断了
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//阻塞等待 // 如果acquireQueued返回true，打断状态 interrupted = true selfInterrupt(); } static void selfInterrupt() { // 知道自己被打断了，需要重新产生一次中断完成中断效果 Thread.currentThread().interrupt(); }final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; // 还是需要获得锁后, 才能返回打断状态 return interrupted; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()){ // 条件二中判断当前线程是否被打断，被打断返回true，设置中断标记为 true，【获取锁后返回】 interrupted = true; } } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } private final boolean parkAndCheckInterrupt() { // 阻塞当前线程，如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效 LockSupport.park(this); // 判断当前线程是否被打断，清除打断标记，被打断返回true return Thread.interrupted(); } -
可打断模式：AbstractQueuedSynchronizer#acquireInterruptibly，被打断后会直接抛出异常
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { sync.acquireInterruptibly(1); } public final void acquireInterruptibly(int arg) { // 被其他线程打断了直接返回 false if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); if (!tryAcquire(arg)) // 没获取到锁，进入这里 doAcquireInterruptibly(arg); }private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { // 返回封装当前线程的节点 final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE); boolean failed = true; try { for (;;) { //... if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) // 【在 park 过程中如果被 interrupt 会抛出异常】, 而不会再次进入循环获取锁后才完成打断效果 throw new InterruptedException(); } } finally { // 抛出异常前会进入这里 if (failed) // 取消当前线程的节点 cancelAcquire(node); } }// 取消节点出队的逻辑 private void cancelAcquire(Node node) { // 判空 if (node == null) return; // 把当前节点封装的 Thread 置为空 node.thread = null; // 获取当前取消的 node 的前驱节点 Node pred = node.prev; // 前驱节点也被取消了，循环找到前面最近的没被取消的节点 while (pred.waitStatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; // 获取前驱节点的后继节点，可能是当前 node，也可能是 waitStatus > 0 的节点 Node predNext = pred.next; // 把当前节点的状态设置为 【取消状态 1】 node.waitStatus = Node.CANCELLED; // 条件成立说明当前节点是尾节点，把当前节点的前驱节点设置为尾节点 if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { // 把前驱节点的后继节点置空，这里直接把所有的取消节点出队 compareAndSetNext(pred, predNext, null); } else { // 说明当前节点不是 tail 节点 int ws; // 条件一成立说明当前节点不是 head.next 节点 if (pred != head && // 判断前驱节点的状态是不是 -1，不成立说明前驱状态可能是 0 或者刚被其他线程取消排队了 ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || // 如果状态不是 -1，设置前驱节点的状态为 -1 (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && // 前驱节点的线程不为null pred.thread != null) { Node next = node.next; // 当前节点的后继节点是正常节点 if (next != null && next.waitStatus <= 0) // 把 前驱节点的后继节点 设置为 当前节点的后继节点，【从队列中删除了当前节点】 compareAndSetNext(pred, predNext, next); } else { // 当前节点是 head.next 节点，唤醒当前节点的后继节点 unparkSuccessor(node); } node.next = node; // help GC } }
锁超时
基本使用
public boolean tryLock()：尝试获取锁，获取到返回 true，获取不到直接放弃，不进入阻塞队列
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：在给定时间内获取锁，获取不到就退出
注意：tryLock 期间也可以被打断
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
if (!lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
System.out.println("获取不到锁");
return;
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("被打断，获取不到锁");
return;
}
try {
log.debug("获取到锁");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
lock.lock();
System.out.println("主线程获取到锁");
t1.start();
Thread.sleep(1000);
try {
System.out.println("主线程释放了锁");
} finally {
lock.unlock();
}
}实现原理
-
成员变量：指定超时限制的阈值，小于该值的线程不会被挂起
static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;超时时间设置的小于该值，就会被禁止挂起，因为阻塞在唤醒的成本太高，不如选择自旋空转
-
tryLock()
public boolean tryLock() { // 只尝试一次 return sync.nonfairTryAcquire(1); } -
tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // tryAcquire 尝试一次 return tryAcquire(arg) || doAcquireNanos(arg, nanosTimeout); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); }private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) { if (nanosTimeout <= 0L) return false; // 获取最后期限的时间戳 final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout; //... try { for (;;) { //... // 计算还需等待的时间 nanosTimeout = deadline - System.nanoTime(); if (nanosTimeout <= 0L) //时间已到 return false; if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 如果 nanosTimeout 大于该值，才有阻塞的意义，否则直接自旋会好点 nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold) LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout); // 【被打断会报异常】 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); } } }
哲学家就餐
public static void main(String[] args) {
Chopstick c1 = new Chopstick("1");//...
Chopstick c5 = new Chopstick("5");
new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();
new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();
new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();
new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();
new Philosopher("阿基米德", c5, c1).start();
}
class Philosopher extends Thread {
Chopstick left;
Chopstick right;
public void run() {
while (true) {
// 尝试获得左手筷子
if (left.tryLock()) {
try {
// 尝试获得右手筷子
if (right.tryLock()) {
try {
System.out.println("eating...");
Thread.sleep(1000);
} finally {
right.unlock();
}
}
} finally {
left.unlock();
}
}
}
}
}
class Chopstick extends ReentrantLock {
String name;
public Chopstick(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "筷子{" + name + '}';
}
}条件变量
基本使用
synchronized 的条件变量，是当条件不满足时进入 WaitSet 等待；ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于支持多个条件变量
ReentrantLock 类获取 Condition 对象：public Condition newCondition()
Condition 类 API：
void await()：当前线程从运行状态进入等待状态，释放锁void signal()：唤醒一个等待在 Condition 上的线程，但是必须获得与该 Condition 相关的锁
使用流程：
-
await / signal 前需要获得锁
-
await 执行后，会释放锁进入 ConditionObject 等待
-
await 的线程被唤醒去重新竞争 lock 锁
-
线程在条件队列被打断会抛出中断异常
-
竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//创建一个新的条件变量
Condition condition1 = lock.newCondition();
Condition condition2 = lock.newCondition();
new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
System.out.println("进入等待");
//进入休息室等待
condition1.await();
System.out.println("被唤醒了");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}).start();
Thread.sleep(1000);
//叫醒
new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
//唤醒
condition2.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}).start();
}实现原理
await
总体流程是将 await 线程包装成 node 节点放入 ConditionObject 的条件队列，如果被唤醒就将 node 转移到 AQS 的执行阻塞队列，等待获取锁，每个 Condition 对象都包含一个等待队列
-
开始 Thread-0 持有锁，调用 await，线程进入 ConditionObject 等待，直到被唤醒或打断，调用 await 方法的线程都是持锁状态的，所以说逻辑里不存在并发
public final void await() throws InterruptedException { // 判断当前线程是否是中断状态，是就直接给个中断异常 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 将调用 await 的线程包装成 Node，添加到条件队列并返回 Node node = addConditionWaiter(); // 完全释放节点持有的锁，因为其他线程唤醒当前线程的前提是【持有锁】 int savedState = fullyRelease(node); // 设置打断模式为没有被打断，状态码为 0 int interruptMode = 0; // 如果该节点还没有转移至 AQS 阻塞队列, park 阻塞，等待进入阻塞队列 while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); // 如果被打断，退出等待队列，对应的 node 【也会被迁移到阻塞队列】尾部，状态设置为 0 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } // 逻辑到这说明当前线程退出等待队列，进入【阻塞队列】 // 尝试枪锁，释放了多少锁就【重新获取多少锁】，获取锁成功判断打断模式 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; // node 在条件队列时 如果被外部线程中断唤醒，会加入到阻塞队列，但是并未设 nextWaiter = null if (node.nextWaiter != null) // 清理条件队列内所有已取消的 Node unlinkCancelledWaiters(); // 条件成立说明挂起期间发生过中断 if (interruptMode != 0) // 应用打断模式 reportInterruptAfterWait(interruptMode); }// 打断模式 - 在退出等待时重新设置打断状态 private static final int REINTERRUPT = 1; // 打断模式 - 在退出等待时抛出异常 private static final int THROW_IE = -1;
-
创建新的 Node 状态为 -2（Node.CONDITION），关联 Thread-0，加入等待队列尾部
private Node addConditionWaiter() { // 获取当前条件队列的尾节点的引用，保存到局部变量 t 中 Node t = lastWaiter; // 当前队列中不是空，并且节点的状态不是 CONDITION（-2），说明当前节点发生了中断 if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { // 清理条件队列内所有已取消的 Node unlinkCancelledWaiters(); // 清理完成重新获取 尾节点 的引用 t = lastWaiter; } // 创建一个关联当前线程的新 node, 设置状态为 CONDITION(-2)，添加至队列尾部 Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null) firstWaiter = node; // 空队列直接放在队首【不用CAS因为执行线程是持锁线程，并发安全】 else t.nextWaiter = node; // 非空队列队尾追加 lastWaiter = node; // 更新队尾的引用 return node; }// 清理条件队列内所有已取消（不是CONDITION）的 node，【链表删除的逻辑】 private void unlinkCancelledWaiters() { // 从头节点开始遍历【FIFO】 Node t = firstWaiter; // 指向正常的 CONDITION 节点 Node trail = null; // 等待队列不空 while (t != null) { // 获取当前节点的后继节点 Node next = t.nextWaiter; // 判断 t 节点是不是 CONDITION 节点，条件队列内不是 CONDITION 就不是正常的 if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { // 不是正常节点，需要 t 与下一个节点断开 t.nextWaiter = null; // 条件成立说明遍历到的节点还未碰到过正常节点 if (trail == null) // 更新 firstWaiter 指针为下个节点 firstWaiter = next; else // 让上一个正常节点指向 当前取消节点的 下一个节点，【删除非正常的节点】 trail.nextWaiter = next; // t 是尾节点了，更新 lastWaiter 指向最后一个正常节点 if (next == null) lastWaiter = trail; } else { // trail 指向的是正常节点 trail = t; } // 把 t.next 赋值给 t，循环遍历 t = next; } } -
接下来 Thread-0 进入 AQS 的 fullyRelease 流程，释放同步器上的锁
// 线程可能重入，需要将 state 全部释放 final int fullyRelease(Node node) { // 完全释放锁是否成功，false 代表成功 boolean failed = true; try { // 获取当前线程所持有的 state 值总数 int savedState = getState(); // release -> tryRelease 解锁重入锁 if (release(savedState)) { // 释放成功 failed = false; // 返回解锁的深度 return savedState; } else { // 解锁失败抛出异常 throw new IllegalMonitorStateException(); } } finally { // 没有释放成功，将当前 node 设置为取消状态 if (failed) node.waitStatus = Node.CANCELLED; } } -
fullyRelease 中会 unpark AQS 队列中的下一个节点竞争锁，假设 Thread-1 竞争成功
-
Thread-0 进入 isOnSyncQueue 逻辑判断节点是否移动到阻塞队列，没有就 park 阻塞 Thread-0
final boolean isOnSyncQueue(Node node) { // node 的状态是 CONDITION，signal 方法是先修改状态再迁移，所以前驱节点为空证明还【没有完成迁移】 if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) return false; // 说明当前节点已经成功入队到阻塞队列，且当前节点后面已经有其它 node，因为条件队列的 next 指针为 null if (node.next != null) return true; // 说明【可能在阻塞队列，但是是尾节点】 // 从阻塞队列的尾节点开始向前【遍历查找 node】，如果查找到返回 true，查找不到返回 false return findNodeFromTail(node); } -
await 线程 park 后如果被 unpark 或者被打断，都会进入 checkInterruptWhileWaiting 判断线程是否被打断：在条件队列被打断的线程需要抛出异常
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) { // Thread.interrupted() 返回当前线程中断标记位，并且重置当前标记位 为 false // 如果被中断了，根据是否在条件队列被中断的，设置中断状态码 return Thread.interrupted() ?(transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0; }// 这个方法只有在线程是被打断唤醒时才会调用 final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) { // 条件成立说明当前node一定是在条件队列内，因为 signal 迁移节点到阻塞队列时，会将节点的状态修改为 0 if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) { // 把【中断唤醒的 node 加入到阻塞队列中】 enq(node); // 表示是在条件队列内被中断了，设置为 THROW_IE 为 -1 return true; } //执行到这里的情况： //1.当前node已经被外部线程调用 signal 方法将其迁移到 阻塞队列 内了 //2.当前node正在被外部线程调用 signal 方法将其迁移至 阻塞队列 进行中状态 // 如果当前线程还没到阻塞队列，一直释放 CPU while (!isOnSyncQueue(node)) Thread.yield(); // 表示当前节点被中断唤醒时不在条件队列了，设置为 REINTERRUPT 为 1 return false; } -
最后开始处理中断状态：
private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException { // 条件成立说明【在条件队列内发生过中断，此时 await 方法抛出中断异常】 if (interruptMode == THROW_IE) throw new InterruptedException(); // 条件成立说明【在条件队列外发生的中断，此时设置当前线程的中断标记位为 true】 else if (interruptMode == REINTERRUPT) // 进行一次自己打断，产生中断的效果 selfInterrupt(); }
signal
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假设 Thread-1 要来唤醒 Thread-0，进入 ConditionObject 的 doSignal 流程，取得等待队列中第一个 Node，即 Thread-0 所在 Node，必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignal 内线程安全
public final void signal() { // 判断调用 signal 方法的线程是否是独占锁持有线程 if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 获取条件队列中第一个 Node Node first = firstWaiter; // 不为空就将第该节点【迁移到阻塞队列】 if (first != null) doSignal(first); }// 唤醒 - 【将没取消的第一个节点转移至 AQS 队列尾部】 private void doSignal(Node first) { do { // 成立说明当前节点的下一个节点是 null，当前节点是尾节点了，队列中只有当前一个节点了 if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; // 将等待队列中的 Node 转移至 AQS 队列，不成功且还有节点则继续循环 } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); } // signalAll() 会调用这个函数，唤醒所有的节点 private void doSignalAll(Node first) { lastWaiter = firstWaiter = null; do { Node next = first.nextWaiter; first.nextWaiter = null; transferForSignal(first); first = next; // 唤醒所有的节点，都放到阻塞队列中 } while (first != null); } -
执行 transferForSignal，先将节点的 waitStatus 改为 0，然后加入 AQS 阻塞队列尾部，将 Thread-3 的 waitStatus 改为 -1
// 如果节点状态是取消, 返回 false 表示转移失败, 否则转移成功 final boolean transferForSignal(Node node) { // CAS 修改当前节点的状态，修改为 0，因为当前节点马上要迁移到阻塞队列了 // 如果状态已经不是 CONDITION, 说明线程被取消（await 释放全部锁失败）或者被中断（可打断 cancelAcquire） if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) // 返回函数调用处继续寻找下一个节点 return false; // 【先改状态，再进行迁移】 // 将当前 node 入阻塞队列，p 是当前节点在阻塞队列的【前驱节点】 Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; // 如果前驱节点被取消或者不能设置状态为 Node.SIGNAL，就 unpark 取消当前节点线程的阻塞状态, // 让 thread-0 线程竞争锁，重新同步状态 if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }
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Thread-1 释放锁，进入 unlock 流程