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ReentrantLock工作原理

2022-08-02 02:36:00 【季风泯灭的季节】

AQS原理分析

什么是AQS

java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）实现的，AQS是一个抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的同步器。JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS框架来实现的。

一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法

AQS具备的特性：

阻塞等待队列
共享/独占
公平/非公平
可重入
允许中断

AQS内部维护属性volatile int state

state表示资源的可用状态
State三种访问方式：
getState()
setState()
compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式

Exclusive-独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share-共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch

AQS定义两种队列

同步等待队列：主要用于维护获取锁失败时入队的线程
条件等待队列：调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁

ReentrantLock

ReentrantLock是一种基于AQS框架的应用实现，是JDK中的一种线程并发访问的同步手段，它的功能类似于synchronized是一种互斥锁，可以保证线程安全。相对于 synchronized,ReentrantLock具备如下特点：

可中断
可以设置超时时间
可以设置为公平锁
支持多个条件变量
与 synchronized 一样，都支持可重入

synchronized和ReentrantLock的区别：

synchronized关键字，是JVM层次的锁实现，ReentrantLock是类，是JDK层次基于AQS的锁实现；二者都是可重入的独占锁。
synchronized的锁状态是无法在代码中直接判断的，但是ReentrantLock可以通过 ReentrantLock#isLocked判断；
synchronized自动加解锁，ReentrantLock要手动加解锁，它的操作更加灵活。
synchronized是非公平锁，ReentrantLock是可以是公平也可以是非公平的；ReentrantLock要保证公平性也会引入额外的开销，导致吞吐量下降，慎用。
synchronized是不可以被中断的，而ReentrantLock#lockInterruptibly方法是可以被中断的；
在发生异常时synchronized会自动释放锁，而ReentrantLock需要开发者在finally块中显示释放锁；
ReentrantLock获取锁的形式有多种：如立即返回是否成功的tryLock(),以及等待指定时长的获取，更加灵活；
synchronized在特定的情况下对于已经在等待的线程是后来的线程先获得锁（回顾一下sychronized的唤醒策略），而ReentrantLock对于已经在等待的线程是先来的线程先获得锁；
在低竞争情况下synchronized的性能优于ReentrantLock。在高并发下，synchronized操作monitor涉及线程的用户态、内核态的切换，性能不如ReentrantLock。

ReentrantLock的使用

同步执行，类似于synchronized

private static  int sum = 0;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    //private static TulingLock lock = new TulingLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread thread = new Thread(()->{
                //加锁
                lock.lock();
                try {
                    // 临界区代码
                    // TODO 业务逻辑：读写操作不能保证线程安全
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        sum++;
                    }
                } finally {
                    // 解锁
                    lock.unlock();
                }
            });
            thread.start();
        }

        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(sum);
    }

可重入

 public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        method1();
    }


    public static void method1() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method1");
            method2();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method2() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method2");
            method3();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method3() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method3");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

可中断

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> {

            log.debug("t1启动...");

            try {
                lock.lockInterruptibly();
                try {
                    log.debug("t1获得了锁");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.debug("t1等锁的过程中被中断");
            }

        }, "t1");


        lock.lock();
        try {
            log.debug("main线程获得了锁");
            t1.start();
            //先让线程t1执行
            Thread.sleep(1000);

            t1.interrupt();
            log.debug("线程t1执行中断");
        } finally {
            lock.unlock();
        }

锁超时

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> {

            log.debug("t1启动...");
            // 注意： 即使是设置的公平锁，此方法也会立即返回获取锁成功或失败，公平策略不生效
//            if (!lock.tryLock()) {
//                log.debug("t1获取锁失败，立即返回false");
//                return;
//            }

            //超时
            try {
                if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                    log.debug("等待 1s 后获取锁失败，返回");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return;
            }

            try {
                log.debug("t1获得了锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        }, "t1");


        lock.lock();
        try {
            log.debug("main线程获得了锁");
            t1.start();
            //先让线程t1执行
            Thread.sleep(2000);
        } finally {
            lock.unlock();
        }

公平锁

//ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //非公平锁

        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "t" + i).start();
        }
        // 1s 之后去争抢锁
        Thread.sleep(1000);

        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "强行插入" + i).start();

        }

条件变量

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition cigCon = lock.newCondition();
    private static Condition takeCon = lock.newCondition();

    private static boolean hashcig = false;
    private static boolean hastakeout = false;

    //送烟
    public void cigratee(){
        lock.lock();
        try {
            while(!hashcig){
                try {
                    log.debug("没有烟，歇一会");
                    cigCon.await();

                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("有烟了，干活");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    //送外卖
    public void takeout(){
        lock.lock();
        try {
            while(!hastakeout){
                try {
                    log.debug("没有饭，歇一会");
                    takeCon.await();

                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("有饭了，干活");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockDemo6 test = new ReentrantLockDemo6();
        new Thread(() ->{
            test.cigratee();
        }).start();

        new Thread(() -> {
            test.takeout();
        }).start();

        new Thread(() ->{
            lock.lock();
            try {
                hashcig = true;
                log.debug("唤醒送烟的等待线程");
                cigCon.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }


        },"t1").start();

        new Thread(() ->{
            lock.lock();
            try {
                hastakeout = true;
                log.debug("唤醒送饭的等待线程");
                takeCon.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }


        },"t2").start();
    }