开放原子开发者工作坊

java并发包中锁

6.1LockSupport工具类

　　该类的主要作用就是挂起和唤醒线程，该工具类是创建锁和其他工具类的基础。LockSupport类与每个使用他的线程都关联一个许可证，在默认情况下调用LockSupport类的方法的线程是不持有许可证的。

　　1、void park()

　　　　如果调用park方法的线程已经那都了LockSupport关联的许可证的话，那LockSupport.park()会立刻返回，否则就会阻塞挂起。

package com.nxz.blog.otherTest;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class TestThread004 {

    /**
     * LockSupport park
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main-start");
        // LockSupport的park默认是不持有许可证的，也就是说，调用park方法后，当前线程会阻塞
        LockSupport.park();
        System.out.println("main-end");
    }
}
    

上边运行结果：如下图，main线程会阻塞在LockSupport.park()代码处，不会输出main-end。

　　2、void unpark(Thread thread)方法

　　　　如果参数thread没有持有LockSupport许可，调用该方法后，会使thread持有许可证，也就是说会使调用park方法而阻塞的线程返回。（线程intercept中断之后，park方法也会返回，停止阻塞）

package com.nxz.blog.otherTest;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class TestThread004 {

    /**
     * LockSupport park
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main-start");
        // 使当前线程（main线程）获取许可
        LockSupport.unpark(Thread.currentThread());
        // 因为上边已经获取许可了，所以，下边这个park方法并不会阻塞线程
        LockSupport.park();
        System.out.println("main-end");
    }
}

执行结果：

main-start
main-end

另外一个例子：

package com.nxz.blog.otherTest;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class TestThread004 {

    /**
     * LockSupport park
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("runnable-start");
                LockSupport.park();
                System.out.println("runnable-end");
            }
        });

        t.start();
        // 目的是使t线程先执行，让t线程调用park方法后阻塞
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("main");
        // 使t线程获取LockSupport许可，获取许可后，t线程就可以继续向下执行了
        LockSupport.unpark(t);
        System.out.println("main-end");
    }
}

执行结果：

runnable-start
main
main-end
runnable-end

　　3、void park(long nanos)

　　　　该方法和park方法类似，只不过是在指定时间后自动返回

　　4、void park(Object blocker)

　　　　一般使用的是这个方法而不是无参的park方法，原因是，这个个方法输出日志时会输出阻塞的类的信息（而park方法不会输出）。

6.2抽象同步类AQS

　　AbstractQueuedSynchronize抽象同步队列简称AQS，是实现同步器的基础组件，并发包中锁的实现，底层都是通过AQS实现的。

　　1、基本属相

   // 同步器是一个双向的FIFO队列  有头结点和尾节点，节点类型Node为AQS的内部类
    private transient volatile Node head;

    private transient volatile Node tail;
    // 该字段是实现锁和同步器的关键，在不同的实现类中有不同的含义，例如在ReentrantLock中代表当前线程获取可重入锁的次数，ReentrantReadWriteLock中，高16位表示读状态，也就是获取读锁的次数，低16位掉表写状态，也及时写锁的次数，Semaphore中代表限号量等等
    private volatile int state;

static final class Node {
        // 用来标记该线程是获取共享资源时被阻塞后挂起放入AQS队列的
        static final Node SHARED = new Node();
        // 用来标记该线程是获取独占资源师被阻塞后防区AQS队列的
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        // waitstatus状态之一， 表示线程被取消了
        static final int CANCELLED =  1;
        //waitstatus状态之一，表名线程需要唤醒
        static final int SIGNAL    = -1;
        // 线程在条件队列里边等待 
        static final int CONDITION = -2;
        // 释放共享资源师需要通知其他节点
        static final int PROPAGATE = -3;

        // 记录当前线程的等待状态，有以上3中状态
        volatile int waitStatus;

        // 记录当前节点的前驱节点
        volatile Node prev;

        // 记录当前节点的后继节点
        volatile Node next;

        // 记录当前线程
        volatile Thread thread;

        // 下一个等待条件变量condition的节点
        Node nextWaiter;

    public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
       // 该类用来结合所实现线程同步的，每一个ContditionObject是一个条件变量，每一个条件变量对应一个条件对列，每一个条件队列都是一个单项链表，用来存放调用await方法后阻塞的线程
       // 条件队列的第一个节点
        private transient Node firstWaiter;
        // 条件队列的最后一个节点
        private transient Node lastWaiter;
}

6.3ReentrantLock可重入的独占锁

　　1、结构图：

　　

　　可以看出ReentrantLock最终还是通过AQS实现的，并根据参数判断锁是公平的还是非公平的

    // 默认构造是创建一个非公平锁
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    // 有参构造，fair：true则创建一个公平锁，false：创建非公平锁
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

　　2、void lock()

    public void lock() {
        sync.lock();
    }

    // Sync类中为抽象方法，具体实现，需要看公平锁和非公平锁中的实现方法
    abstract void lock();

    // 非公平锁类
    static final class NonfairSync extends Sync {

        // lock实现方法
        final void lock() {
            // 通过CAS操作state变量，state默认为0，表名没有被线程获取，设置为1成功后，代表该线程获取锁成功，此时state为1，并设置exclusiveThread为当前线程
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else // 调用AQS的acquire方法，AQS内部会条用tryAcquire方法
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }
   // 公平锁
   static final class FairSync extends Sync {
        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

　　3、lockInterruptibly()方法，可中断的lock方法

　　　　和lock类似，区别就是能够对中断进行相应（而lock方法对于中断操作是忽视的）

　　4、trylock()方法

　　　　如果当前锁没有被其他线程持有，则调用该方法时会立即返回，如果被其他线程持有，则该方法也会立即返回false。（该方法不会阻塞，lock方法会阻塞，即会进入阻塞队列中）。

    public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }

     final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            // 如果state为0，即该锁没有被其他线程持有，则该线程通过CAS操作后，持有锁，会理解返回true
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            // 如果持有锁的线程是当前线程，则state累计额acquires后，返回true
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            // 返回false，在锁被其他线程持有时会立即返回false
            return false;
        }

　　5、释放锁unlock()

　　　　如果所被当前线程持有，则state赋为0，即释放锁，如果所被当前线程多次持有，则state只是减1，并不会释放锁。如果当前线程没有持有锁，则跑异常。

6.4ReentrantReadWriteLock读写锁

　　采用读写分离的策略，允许多个线程可以同时获取锁。

　　1、结构:有两个锁，WriteLock和ReadLock

　　

public class ReentrantReadWriteLock
        implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
    // 读锁 
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
    // 写锁 独占锁
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
    // 同步时 继承自AQS类
    final Sync sync;

    public ReentrantReadWriteLock() {
        this(false);
    }

    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }

    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }
}

ReentrantReadWriteLock和ReentrantLock类似，只不过内部分为写锁和读锁，对于aqs中state变量的控制，在ReentrantLock中，0表示未被线程获取，而在读写锁中，将state分成两份，高16位负责记录读锁和低16位负责写锁。

 6.5jdk8中新增的StampedLock锁

　　该锁是jdk8中新增的，提供了3中模式的读写控制，当调用获取锁的函数时，会返回一个long类型的变量，也就是戳记（stamp），代表锁的状态。当调用释放锁和转换锁的时候，需要将该stamp作为参数传入。

　　写锁writeLock：是一个独占锁，同一时间只能有一个线程可以获取锁（并且是不可冲入锁）

　　悲观读锁readLock：是一个共享锁，在没有线程获取的情况下多个线程可以获取到锁，但是只要有线程获取到写锁，则获取读锁的线程都会阻塞（同时该锁也是不可冲入锁）

　　乐观读锁tryOptimisticRead

　　使用案例：

/**
     * jdk8中stampedLock中提供的例子
     * 管理二维点的类
     */
    class Point {
        private double x, y;
        private final StampedLock sl = new StampedLock();

        /**
         * 独占的方法
         */
        void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
            // 获取写锁
            long stamp = sl.writeLock();
            // x y坐标调整
            try {
                x += deltaX;
                y += deltaY;
            } finally {
                // 释放写锁
                sl.unlockWrite(stamp);
            }
        }

        /**
         * 共享方法，使用了乐观的共享锁
         */
        double distanceFromOrigin() { // A read-only method
            // 获取乐观的读锁
            long stamp = sl.tryOptimisticRead();
            // 获取point对象坐标的拷贝
            double currentX = x, currentY = y;
            // 验证stamp（也就是之前获取的锁是否仍然可用），如果可用的话，则直接进行运算，不可用的话，则获取一个悲观的读锁readlock
            if (!sl.validate(stamp)) {
                // 在stamp不可用情况下，重新获取一个悲观读锁
                stamp = sl.readLock();
                try {
                    // 重新设置xy的拷贝
                    currentX = x;
                    currentY = y;
                } finally {
                    // 释放悲观读锁
                    sl.unlockRead(stamp);
                }
            }
            // 返回两点之间的距离
            return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
        }

        // 更原点
        void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
            // Could instead start with optimistic, not read mode
            long stamp = sl.readLock();
            try {
                // 如果x=y=0是，修改坐标
                while (x == 0.0 && y == 0.0) {
                    // 将之前获取到的读锁转换为一个写锁
                    long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
                    //ws不等于0，则代表锁转换成功
                    if (ws != 0L) {
                        stamp = ws;
                        x = newX;
                        y = newY;
                        break;
                    } else {
                        // 转换失败后，释放读锁，重新获取一个写锁，重复while循环
                        sl.unlockRead(stamp);
                        stamp = sl.writeLock();
                    }
                }
            } finally {
                // 释放锁
                sl.unlock(stamp);
            }
        }
    }

stampedlock和ReentrantReadWriteLock类似，只不过前者是不可重入锁，但是前者在提供的乐观读锁在多线程环境下提供了更好的性能，这是因为乐观读锁不需要进行CAS操作设置锁的状态，只是简单的验证了一下锁的stamp是否可用。