在JDK1.5之前共享对象的协调机制只有synchronized和volatile,在JDK1.5中增加了新的机制ReentrantLock,该机制的诞生并不是为了替代synchronized,而是在 synchronized 不适用的情况下,提供一种可以选择的高级功能。
synchronized 属于独占式悲观锁,是通过 JVM 隐式实现的,synchronized 只允许同一时刻只有一个线程操作资源。
在 Java 中每个对象都隐式包含一个 monitor(监视器)对象,加锁的过程其实就是竞争 monitor 的过程,当线程进入字节码 monitorenter 指令之后,线程将持有 monitor 对象,执行 monitorexit 时释放 monitor 对象,当其他线程没有拿到 monitor 对象时,则需要阻塞等待获取该对象。
ReentrantLock 是 Lock 的默认实现方式之一,它是基于 AQS(Abstract Queued Synchronizer,队列同步器)实现的,它默认是通过非公平锁实现的,在它的内部有一个 state 的状态字段用于表示锁是否被占用,如果是 0 则表示锁未被占用,此时线程就可以把 state 改为 1,并成功获得锁,而其他未获得锁的线程只能去排队等待获取锁资源。
synchronized 和 ReentrantLock 都提供了锁的功能,具备互斥性和不可见性。在 JDK 1.5 中 synchronized 的性能远远低于 ReentrantLock,但在 JDK 1.6 之后 synchronized 的性能略低于 ReentrantLock,它的区别如下:
synchronized是JVM隐式实现的,而ReentrantLock是Java语言提供的API;
ReentrantLock可设置为公平锁,而synchronized却不行;
ReentrantLock 只能修饰代码块,而 synchronized 可以用于修饰方法、修饰代码块等;
ReentrantLock 需要手动加锁和释放锁,如果忘记释放锁,则会造成资源被永久占用,而 synchronized 无需手动释放锁;
ReentrantLock 可以知道是否成功获得了锁,而 synchronized 却不行。
ReentrantLock 源码分析
构造函数:
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
* This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();// 无参构造方法创建的锁为非公平锁
}
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
* given fairness policy.
*
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
无参的构造函数创建了一个非公平锁,用户也可以根据第二个构造函数,设置一个 boolean 类型的值,来决定是否使用公平锁来实现线程的调度。
公平锁和非公平锁的区别:
公平锁的含义是线程需要按照请求的顺序来获得锁;而非公平锁则允许“插队”的情况存在,所谓的“插队”指的是,线程在发送请求的同时该锁的状态恰好变成了可用,那么此线程就可以跳过队列中所有排队的线程直接拥有该锁。
而公平锁由于有挂起和恢复所以存在一定的开销,因此性能不如非公平锁,所以 ReentrantLock 和 synchronized 默认都是非公平锁的实现方式。
ReentrantLock 是通过 lock() 来获取锁,并通过 unlock() 释放锁,使用代码如下:
Lock lock = new ReentrantLock();
try {
// 加锁
lock.lock();
// 业务处理
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
ReentrantLock 中的 lock() 是通过 sync.lock() 实现的,但 Sync 类中的 lock() 是一个抽象方法,需要子类 NonfairSync 或 FairSync 去实现
sync的源码如下:
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
/**
* Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
* is to allow fast path for nonfair version.
*/
abstract void lock();
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
protected final boolean isHeldExclusively() {
// While we must in general read state before owner,
// we don't need to do so to check if current thread is owner
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}
// Methods relayed from outer class
final Thread getOwner() {
return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}
final int getHoldCount() {
return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
}
final boolean isLocked() {
return getState() != 0;
}
/**
* Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).
*/
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}
NonfairSync 中的源码如下:
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
FairSync 中的源码如下:
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 公平锁比非公平锁多了一行代码 !hasQueuedPredecessors()
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 尝试获取锁
setExclusiveOwnerThread(current); // 获取成功,标记被抢占
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); // set state = state + 1
return true;
}
return false;
}
}
从lock()方法中可以看出非公平锁比公平锁只是多了一行compareAndSetState方法,该方法是尝试将state值由0置换为1,如果设置成功的话,则说明当前没有其他线程持有该锁,不用再去排队了,可直接占用该锁,否则,则需要通过 acquire 方法去排队。
tryacquire()方法尝试获取锁,如果获取锁失败,则把它加入到阻塞队列中。
对于tryacquire()方法,公平锁比非公平锁只多一行代码 !hasQueuedPredecessors(),它用来查看队列中是否有比它等待时间更久的线程,如果没有,就尝试一下是否能获取到锁,如果获取成功,则标记为已经被占用。
如果获取锁失败,则调用 addWaiter 方法把线程包装成 Node 对象,同时放入到队列中,但 addWaiter 方法并不会尝试获取锁,acquireQueued 方法才会尝试获取锁,如果获取失败,则此节点会被挂起。
AbstractQueuedSynchronizer类源码如下:
addWaiter() 方法
/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
acquireQueued()方法源码:
/**
* 队列中的线程尝试获取锁,失败则会被挂起
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true; // 获取锁是否成功的标识
try {
boolean interrupted = false; // 线程是否被中断
for (;;) {
// 获取前一个节点(前驱节点)
final Node p = node.predecessor();
// 当前节点为头节点的下一个节点时,有权尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node); // 获取成功,将当前节点设置为 head 节点
p.next = null; // help GC 原 head 节点出队,等待被 GC
failed = false; // 获取成功
return interrupted;
}
// 判断获取锁失败后是否可以挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 线程若被中断,返回 true
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
该方法会使用 for(;;)无限循环的方式来尝试获取锁,若获取失败,则调用 shouldParkAfterFailedAcquire 方法,尝试挂起当前线程
shouldParkAfterFailedAcquire ()方法源码:
/**
* Checks and updates status for a node that failed to acquire.
* Returns true if thread should block. This is the main signal
* control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev.
*
* @param pred node's predecessor holding status
* @param node the node
* @return {@code true} if thread should block
* 判断线程是否可以被挂起
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 获得前驱节点的状态
int ws = pred.waitStatus;
// 前驱节点的状态为SIGNAL,当前线程可以被挂起(阻塞)
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
// 若前驱节点状态为 CANCELLED,那就一直往前找,直到找到一个正常等待的状态为止
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
// 并将当前节点排在它后边
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
* 把前驱节点的状态修改为 SIGNA
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
线程入列被挂起的前提条件是,前驱节点的状态为 SIGNAL,SIGNAL 状态的含义是后继节点处于等待状态,当前节点释放锁后将会唤醒后继节点。所以在上面这段代码中,会先判断前驱节点的状态,如果为 SIGNAL,则当前线程可以被挂起并返回 true;如果前驱节点的状态 >0,则表示前驱节点取消了,这时候需要一直往前找,直到找到最近一个正常等待的前驱节点,然后把它作为自己的前驱节点;如果前驱节点正常(未取消),则修改前驱节点状态为 SIGNAL。
到这里整个加锁的流程就已经走完了,最后的情况是,没有拿到锁的线程会在队列中被挂起,直到拥有锁的线程释放锁之后,才会去唤醒其他的线程去获取锁资源,整个运行流程如下图所示:
unlock 相比于 lock 来说就简单很多了,源码如下:
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放锁
if (tryRelease(arg)) {
// 释放成功
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
锁的释放流程为,先调用 tryRelease 方法尝试释放锁,如果释放成功,则查看头结点的状态是否为SIGNAL,如果是,则唤醒头结点的下个节点关联的线程;如果释放锁失败,则返回 false。
tryRelease 源码如下:
/**
* 尝试释放当前线程占有的锁
*/
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; // 释放锁后的状态,0 表示释放锁成功
// 如果拥有锁的线程不是当前线程的话抛出异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
// 锁被成功释放
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null); // 清空独占线程
}
setState(c); // 更新 state 值,0 表示为释放锁成功
return free;
}
在 tryRelease 方法中,会先判断当前的线程是不是占用锁的线程,如果不是的话,则会抛出异常;如果是的话,则先计算锁的状态值 getState() - releases 是否为 0,如果为 0,则表示可以正常的释放锁,然后清空独占的线程,最后会更新锁的状态并返回执行结果。
JDK 1.6 锁优化
自适应自旋锁
JDK 1.5 在升级为 JDK 1.6 时,HotSpot 虚拟机团队在锁的优化上下了很大功夫,比如实现了自适应式自旋锁、锁升级等。
JDK 1.6 引入了自适应式自旋锁意味着自旋的时间不再是固定的时间了,比如在同一个锁对象上,如果通过自旋等待成功获取了锁,那么虚拟机就会认为,它下一次很有可能也会成功 (通过自旋获取到锁),因此允许自旋等待的时间会相对的比较长,而当某个锁通过自旋很少成功获得过锁,那么以后在获取该锁时,可能会直接忽略掉自旋的过程,以避免浪费 CPU 的资源,这就是自适应自旋锁的功能。
锁升级
锁升级其实就是从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁升级的过程,这是 JDK 1.6 提供的优化功能,也称之为锁膨胀。
偏向锁是指在无竞争的情况下设置的一种锁状态。偏向锁的意思是它会偏向于第一个获取它的线程,当锁对象第一次被获取到之后,会在此对象头中设置标示为“01”,表示偏向锁的模式,并且在对象头中记录此线程的 ID,这种情况下,如果是持有偏向锁的线程每次在进入的话,不再进行任何同步操作,如 Locking、Unlocking 等,直到另一个线程尝试获取此锁的时候,偏向锁模式才会结束,偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。但如果在多数锁总会被不同的线程访问时,偏向锁模式就比较多余了,此时可以通过 -XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁以提高性能。
轻量锁是相对于重量锁而言的,在 JDK 1.6 之前,synchronized 是通过操作系统的互斥量(mutex lock)来实现的,这种实现方式需要在用户态和核心态之间做转换,有很大的性能消耗,这种传统实现锁的方式被称之为重量锁。
而轻量锁是通过比较并交换(CAS,Compare and Swap)来实现的,它对比的是线程和对象的 Mark Word(对象头中的一个区域),如果更新成功则表示当前线程成功拥有此锁;如果失败,虚拟机会先检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧,如果是,则说明当前线程已经拥有此锁,否则,则说明此锁已经被其他线程占用了。当两个以上的线程争抢此锁时,轻量级锁就膨胀为重量级锁,这就是锁升级的过程,也是 JDK 1.6 锁优化的内容。