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在開平等地區(qū)，都構(gòu)建了全面的區(qū)域性戰(zhàn)略布局，加強(qiáng)發(fā)展的系統(tǒng)性、市場前瞻性、產(chǎn)品創(chuàng)新能力，以專注、極致的服務(wù)理念，為客戶提供網(wǎng)站建設(shè)、成都做網(wǎng)站 網(wǎng)站設(shè)計(jì)制作定制開發(fā),公司網(wǎng)站建設(shè),企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),高端網(wǎng)站設(shè)計(jì),成都營銷網(wǎng)站建設(shè),外貿(mào)營銷網(wǎng)站建設(shè),開平網(wǎng)站建設(shè)費(fèi)用合理。
上篇文章扔掉源碼，15張圖帶你徹底理解java AQS通過15張圖講解了AQS管程模型中入口等待隊(duì)列原理。AQS使用FIFO隊(duì)列實(shí)現(xiàn)了一個(gè)鎖相關(guān)的并發(fā)器模板，可以基于這個(gè)模板來實(shí)現(xiàn)各種鎖。JDK建議并發(fā)鎖工具類使用內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)AQS的同步屬性。
今天我們就來聊一聊基于AQS實(shí)現(xiàn)的各種鎖。
1 ReentrantLock
我們先來看一下UML類圖：
從圖中可以看到，ReentrantLock使用抽象內(nèi)部類Sync來實(shí)現(xiàn)了AQS的方法，然后基于Sync這個(gè)同步器實(shí)現(xiàn)了公平鎖和非公平鎖。主要實(shí)現(xiàn)了下面3個(gè)方法：
- tryAcquire(int arg)：獲取獨(dú)占鎖
- tryRelease(int arg)：釋放獨(dú)占鎖
- isHeldExclusively：當(dāng)前線程是否占有獨(dú)占鎖
ReentrantLock默認(rèn)實(shí)現(xiàn)的是非公平鎖，可以在構(gòu)造函數(shù)指定。
從實(shí)現(xiàn)的方法可以看到，ReentrantLock中獲取的鎖是獨(dú)占鎖，我們再來看一下獲取和釋放獨(dú)占鎖的代碼：
- public final void acquire(int arg) {
- if (!tryAcquire(arg) &&
- acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
- selfInterrupt();
- }
獨(dú)占鎖的特點(diǎn)是調(diào)用上面acquire方法，傳入的參數(shù)是1。
1.1 獲取公平鎖
獲取鎖首先判斷同步狀態(tài)(state)的值。
1.1.1 state等于0
這說明沒有線程占用鎖，當(dāng)前線程如果符合下面兩個(gè)條件，就可以獲取到鎖：
- 沒有前任節(jié)點(diǎn)，如下圖：
- CAS的方式更新state值(把0更新成1)成功。
如果獲取獨(dú)占鎖成功，會更新AQS中exclusiveOwnerThread為當(dāng)前線程，這個(gè)很容易理解。
1.1.2 state不等于0
這說明已經(jīng)有線程占有鎖，判斷占有鎖的線程是不是當(dāng)前線程，如下圖：
state += 1值如果小于0，會拋出異常。
如果獲取鎖失敗，則進(jìn)入AQS隊(duì)列等待喚醒。
1.2 獲取非公平鎖
跟公平鎖相比，非公平鎖的唯一不同是如果判斷到state等于0，不用判斷有沒有前任節(jié)點(diǎn)，只要CAS設(shè)置state值(把0更新成1)成功，就獲取到了鎖。
1.3 釋放鎖
公平鎖和非公平鎖，釋放邏輯完全一樣，都是在內(nèi)部類Sync中實(shí)現(xiàn)的。釋放鎖需要注意兩點(diǎn)，如下圖：
為什么state會大于1，因?yàn)槭强梢灾厝氲?，占有鎖的線程可以多次獲取鎖。
1.4 總結(jié)
公平鎖的特點(diǎn)是每個(gè)線程都要進(jìn)行排隊(duì)，不用擔(dān)心線程永遠(yuǎn)獲取不到鎖，但有個(gè)缺點(diǎn)是每個(gè)線程入隊(duì)后都需要阻塞和被喚醒，這一定程度上影響了效率。非公平鎖的特點(diǎn)是每個(gè)線程入隊(duì)前都會先嘗試獲取鎖，如果獲取成功就不會入隊(duì)了，這比公平鎖效率高。但也有一個(gè)缺點(diǎn)，隊(duì)列中的線程有可能等待很長時(shí)間，高并發(fā)下甚至可能永遠(yuǎn)獲取不到鎖。
2 ReentrantReadWriteLock
我們先來看一下UML類圖：
從圖中可以看到，ReentrantReadWriteLock使用抽象內(nèi)部類Sync來實(shí)現(xiàn)了AQS的方法，然后基于Sync這個(gè)同步器實(shí)現(xiàn)了公平鎖和非公平鎖。主要實(shí)現(xiàn)了下面3個(gè)方法：
- tryAcquire(int arg)：獲取獨(dú)占鎖
- tryRelease(int arg)：釋放獨(dú)占鎖
- tryAcquireShared(int arg)：獲取共享鎖
- tryReleaseShared(int arg)：釋放共享鎖
- isHeldExclusively：當(dāng)前線程是否占有獨(dú)占鎖
可見ReentrantReadWriteLock里面同時(shí)用到了共享鎖和獨(dú)占鎖。
下圖是定義的幾個(gè)常用變量：
下面這2個(gè)方法用戶獲取共享鎖和獨(dú)占鎖的數(shù)量：
- static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
- static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
從sharedCount可以看到，共享鎖的數(shù)量要右移16位獲取，也就是說共享鎖占了高16位。從上圖EXCLUSIVE_MASK的定義看到，跟EXCLUSIVE_MASK進(jìn)行與運(yùn)算，得到的是低16位的值，所以獨(dú)占鎖占了低16位。如下圖：
這樣上面獲取鎖數(shù)量的方法就很好理解了。參考1[1]
2.1 讀鎖
讀鎖的實(shí)現(xiàn)對應(yīng)內(nèi)部類ReadLock。
2.1.1 獲取讀鎖
獲取讀鎖實(shí)際上是ReadLock調(diào)用了AQS的下面方法,傳入?yún)?shù)是1：
- public final void acquireShared(int arg) {
- if (tryAcquireShared(arg) < 0)
- doAcquireShared(arg);
- }
ReentrantReadWriteLock內(nèi)部類Sync實(shí)現(xiàn)了tryAcquireShared方法，主要包括如下三種情況：
- 使用exclusiveCount方法查看state中是否有獨(dú)占鎖，如果有并且獨(dú)占線程不是當(dāng)前線程，返回-1，獲取失敗。
- 使用sharedCount查看state中共享鎖數(shù)量，如果讀鎖數(shù)量小于最大值(MAX_COUNT=65535)，則再滿足下面3個(gè)條件就可以獲取成功并返回1：
- 當(dāng)前線程不需要阻塞(readerShouldBlock)。在公平鎖中，需要判斷是否有前置節(jié)點(diǎn)，如下圖就需要阻塞:
在非公平鎖中，則是判斷第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是不是有獨(dú)占鎖，如下圖就需要阻塞:
- 使用CAS把state的值加SHARED_UNIT(65536)。
這里是不是就更理解讀鎖占高位的說法了，獲取一個(gè)讀鎖，state的值就要加SHARED_UNIT這么多個(gè)。
- 給當(dāng)前線程的holdCount加1。
如果2失敗，自旋，重復(fù)上面的步驟直到獲取到鎖。
tryAcquireShared(獲取共享鎖)會返回一個(gè)整數(shù)，如下：
- 返回負(fù)數(shù)：獲取鎖失敗。
- 返回0：獲取鎖成功但是之后再由線程來獲取共享鎖時(shí)就會失敗。
- 返回正數(shù):獲取鎖成功而且之后再有線程來獲取共享鎖時(shí)也可能會成功。
2.1.2 釋放讀鎖
ReentrantReadWriteLock釋放讀鎖是在ReadLock中調(diào)用了AQS下面方法，傳入的參數(shù)是1：
- public final boolean releaseShared(int arg) {
- if (tryReleaseShared(arg)) {
- doReleaseShared();
- return true;
- }
- return false;
- }
ReentrantReadWriteLock內(nèi)部類Sync實(shí)現(xiàn)了releaseShared方法，具體邏輯分為下面兩步：
當(dāng)前線程holdCounter值減1。
CAS的方式將state的值減去SHARED_UNIT。
2.2 寫鎖
寫鎖的實(shí)現(xiàn)對應(yīng)內(nèi)部類WriteLock。
2.2.1 獲取寫鎖
ReentrantReadWriteLock獲取寫鎖其實(shí)是在WriteLock中調(diào)用了AQS的下面方法，傳入?yún)?shù)1：
- public final void acquire(int arg) {
- if (!tryAcquire(arg) &&
- acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
- selfInterrupt();
- }
在ReentrantReadWriteLock內(nèi)部類Sync實(shí)現(xiàn)了tryAcquire方法，首先獲取state值和獨(dú)占鎖數(shù)量(exclusiveCount),之后分如下兩種情況，如下圖：
state不等于0:
- 獨(dú)占鎖數(shù)量等于0，這時(shí)說明有線程占用了共享鎖，如果當(dāng)前線程不是獨(dú)占線程，獲取鎖失敗。
- 獨(dú)占鎖數(shù)量不等于0，獨(dú)占鎖數(shù)量加1后大于MAX_COUNT，獲取鎖失敗。
- 上面2種情況不符合，獲取鎖成功，state值加1。
state等于0，判斷當(dāng)前線程是否需要阻塞(writerShouldBlock)。
在公平鎖中，跟readerShouldBlock的邏輯完全一樣，就是判斷隊(duì)列中head節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)是不是當(dāng)前線程。在非公平鎖中，直接返回false，即可以直接嘗試獲取鎖。
如果當(dāng)前線程不需要阻塞，并且給state賦值成功，使用CAS方式把state值加1，把獨(dú)占線程置為當(dāng)前線程。
2.2.2 釋放寫鎖
ReentrantReadWriteLock釋放寫鎖其實(shí)是在WriteLock中調(diào)用了AQS的下面方法，傳入?yún)?shù)1：
- public final boolean release(int arg) {
- if (tryRelease(arg)) {
- Node h = head;
- if (h != null && h.waitStatus != 0)
- unparkSuccessor(h);
- return true;
- }
- return false;
- }
ReentrantReadWriteLock在Sync中實(shí)現(xiàn)了tryRelease(arg)方法，邏輯如下：
- 判斷當(dāng)前線程是不是獨(dú)占線程，如果不是，拋出異常。
- state值減1后，用新state值判斷獨(dú)占鎖數(shù)量是否等于0
- 如果等于0，則把獨(dú)占線程置為空，返回true，這樣上面的代碼就可以喚醒隊(duì)列中的后置節(jié)點(diǎn)了
- 如果不等于0，返回false，不喚醒后繼節(jié)點(diǎn)。
3 CountDownLatch
我們先來看一下UML類圖：
從上面的圖中看出，CountDownLatch的內(nèi)部類Sync實(shí)現(xiàn)了獲取共享鎖和釋放共享鎖的邏輯。
使用CountDownLatch時(shí)，構(gòu)造函數(shù)會傳入一個(gè)int類型的參數(shù)count，表示調(diào)動count次的countDown后主線程才可以被喚醒。
- public CountDownLatch(int count) {
- if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
- this.sync = new Sync(count);
- }
上面的Sync(count)就是將AQS中的state賦值為count。
3.1 await
CountDownLatch的await方法調(diào)用了AQS中的acquireSharedInterruptibly(int arg)，傳入?yún)?shù)1，不過這個(gè)參數(shù)并沒有用。代碼如下：
- public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
- throws InterruptedException {
- if (Thread.interrupted())
- throw new InterruptedException();
- if (tryAcquireShared(arg) < 0)
- doAcquireSharedInterruptibly(arg);
- }
Sync中實(shí)現(xiàn)了tryAcquireShared方法，await邏輯如下圖：
上面的自旋過程就是等待state的值不斷減小，只有state值成為0的時(shí)候，主線程才會跳出自旋執(zhí)行之后的邏輯。
3.2 countDown
CountDownLatch的countDown方法調(diào)用了AQS的releaseShared(int arg)，傳入?yún)?shù)1，不過這個(gè)參數(shù)并沒有用。內(nèi)部類Sync實(shí)現(xiàn)了tryReleaseShared方法，邏輯如下圖：
3.3 總結(jié)
CountDownLatch的構(gòu)造函數(shù)入?yún)⒅禃x值給state變量，入隊(duì)操作是主線程入隊(duì)，每個(gè)子線程調(diào)用了countDown后state值減1，當(dāng)state值成為0后喚醒主線程。
4 Semaphore
Semaphore是一個(gè)信號量，用來保護(hù)共享資源。如果線程要訪問共享資源，首先從Semaphore獲取鎖(信號量)，如果信號量的計(jì)數(shù)器等于0，則當(dāng)前線程進(jìn)入AQS隊(duì)列阻塞等待。否則，線程獲取鎖成功，信號量減1。使用完共享資源后，釋放鎖(信號量加1)。
Semaphore跟管程模型不一樣的是，允許多個(gè)(構(gòu)造函數(shù)的permits)線程進(jìn)入管程內(nèi)部，因此也常用它來做限流。
UML類圖如下：
Semaphore的構(gòu)造函數(shù)會傳入一個(gè)int類型參數(shù)，用來初始化state的值。
4.1 acquire
獲取鎖的操作調(diào)用了AQS中的acquireSharedInterruptibly方法，傳入?yún)?shù)1，代碼見CountDownLatch中await小節(jié)。Semaphore在公平鎖和非公平鎖中分別實(shí)現(xiàn)了tryAcquireShared方法。
4.1.1 公平鎖
Semaphore默認(rèn)使用非公平鎖，如果使用公平鎖，需要在構(gòu)造函數(shù)指定。獲取公平鎖邏輯比較簡單，如下圖：
4.1.2 非公平鎖
acquire在非公平的鎖唯一的區(qū)別就是不會判斷AQS隊(duì)列是否有前置節(jié)點(diǎn)(hasQueuedPredecessors)，而是直接嘗試獲取鎖。
除了acquire方法外，還有其他幾個(gè)獲取鎖的方法，原理類似，只是調(diào)用了AQS中的不同方法。
4.2 release
釋放鎖的操作調(diào)用了AQS中的releaseShared(int arg)方法，傳入?yún)?shù)1，在內(nèi)部類Sync中實(shí)現(xiàn)了tryReleaseShared方法，邏輯很簡單：使用CAS的方式將state的值加1，之后喚醒隊(duì)列中的后繼節(jié)點(diǎn)。
5 ThreadPoolExecutor
ThreadPoolExecutor中也用到了AQS，看下面的UML類圖：
Worker主要在ThreadPoolExecutor中斷線程的時(shí)候使用。Worker自己實(shí)現(xiàn)了獨(dú)占鎖，在中斷線程時(shí)首先進(jìn)行加鎖，中斷操作后釋放鎖。按照官方說法，這里不直接使用ReentrantLock的原因是防止調(diào)用控制線程池的方法(類似setCorePoolSize)時(shí)能夠重新獲取到鎖，
5.1 tryAcquire
使用CAS的方式把AQS中state從0改為1，把當(dāng)前線程置為獨(dú)占線程。
5.2 tryRelease
把獨(dú)占線程置為空，把AQS中state改為0。
Worker初始化的時(shí)候會把state置為-1，這樣是不能獲取鎖成功的。只有調(diào)用了runWorker方法，才會通過釋放鎖操作把state更為0。這樣保證了只中斷運(yùn)行中的線程，而不會中斷等待中的線程。
6 總結(jié)
AQS基于雙向隊(duì)列實(shí)現(xiàn)了入口等待隊(duì)列，基于state變量實(shí)現(xiàn)了各種并發(fā)鎖，上篇文章講了入口等待隊(duì)列，而這篇文章主要講了基于AQS的并發(fā)鎖原理。
在管程模型中，還有一塊兒沒有介紹，就是條件等待隊(duì)列，請看下篇。
當(dāng)前標(biāo)題：16圖，一個(gè)State竟然搞出了這么多并發(fā)鎖
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