Java讀原始碼之ReentrantLock（2）

freshchen發表於2020-04-19
Java原始碼ReentrantLock

前言

本文是 ReentrantLock 原始碼的第二篇，第一篇主要介紹了公平鎖非公平鎖正常的加鎖解鎖流程，雖然表達能力有限不知道有沒有講清楚，本著不太監的原則，本文填補下第一篇中挖的坑。

Java讀原始碼之ReentrantLock

原始碼分析

感知中斷鎖

如果我們希望檢測到中斷後能立刻丟擲異常就用 lockInterruptibly 方法去加鎖，還是建議用 lock 方法，自定義中斷處理，更靈活一點。

  • ReentrantLock#lockInterruptibly

我們只需要把 ReentrantLock#lock 改成 ReentrantLock#lockInterruptibly 方法就可以獲得內部檢測中斷的鎖了

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
  sync.acquireInterruptibly(1);
}
  • AbstractQueuedSynchronizer#acquireInterruptibly

主要流程和前文介紹的類似

public final void acquireInterruptibly(int arg)
  throws InterruptedException {
  // 一上來就檢查下中斷，中斷直接異常，就沒必要搶鎖排隊了
  if (Thread.interrupted())
    throw new InterruptedException();
  if (!tryAcquire(arg))
    doAcquireInterruptibly(arg);
}
  • AbstractQueuedSynchronizer#doAcquireInterruptibly

和正常加鎖唯一區別就是這個方法，但是定睛一看是不是似曾相識？最大區別就是把中斷標識給去掉了，檢測到中斷直接拋異常

private void doAcquireInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
  	// 大神也偷懶了，因為這個方法，只有獨佔鎖且檢查中斷這一個應用場景，把節點入隊的步驟也揉了進來
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
              	// 當執行緒拿到鎖甦醒過來，發現自己掛起過程被中斷了，直接丟擲異常
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
      	// 只要發生了中斷異常，就會進取消加鎖方法
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
  • AbstractQueuedSynchronizer#cancelAcquire

此方法很有東西，只保證該節點失效，然後延遲移出等待佇列

private void cancelAcquire(Node node) {
    if (node == null)
        return;
		// 把節點裡登記等待的執行緒去掉，完成這一步此節點已經沒有作用了
    node.thread = null;

    // 下面的三步其實可以放到一個CAS中，直接設定 CANCELLED 狀態 ，拿前一個節點，predNext 也必然是自己，但是吞吐量就下來了
    // 這裡大神，沒有這樣做也是出於了效能考慮，因為我們已經把等待執行緒設定成 null 了，所以此節點已經沒有任何意義，沒有必要去保證節點第一時間被釋放，只要設定好 CANCELLED 狀態
    // 就算後面 CAS 調整等待佇列失敗了，下次取消操作也會幫著回收。相應地程式碼複雜度提高了。
  
    /* ----------------------------------------- */
    // 找到自己前面第一個沒取消的節點，
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;
    // 主要是為了下面把連結串列接上
    Node predNext = pred.next;
    // 這裡邏輯上把當前節點的狀態設定成取消，便於檢測釋放
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
  	/* ----------------------------------------- */
  
    // 如果當前節點是尾節點，就把前一個沒取消的節點設成新尾巴
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
      	// 把新尾巴的 next 設定成空
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // 進到這裡說明當前節點肯定不是尾節點了
        int ws;
      	// 條件1: 如果前一個非取消節點不是頭，也就是還需要排隊
      	// 條件2: 如果前一個節點為 SIGNAL，也就是說後面肯定還有執行緒等待被喚醒
      	// 條件3: 如果前一個節點也取消了，說明前一個節點也取消了，還沒來得及設定狀態
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
              	// 當前節點後一個沒取消的話，就接到前一個正常的節點後面
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
          	// 前一篇文章解鎖部分講過，會把下一個節點中的執行緒恢復，然後把後繼節點接上
            unparkSuccessor(node);
        }

      	// 有點花裡胡哨，直接 = null不行麼，
        node.next = node; // help GC
    }
}

來張圖說明下，假如我們目前等待佇列裡有7個執行緒：

等待條件鎖

上篇文章看原始碼過程中，AQS中有個 CONDITION 狀態沒有研究

static final int CONDITION = -2;

ReentrantLock 中的 newCondition 等 Condition 相關方法正是基於 AQS 中的實現的，讓我們先大致瞭解一波作用和用法

Condition簡介

Condition 類似於 Object 中的 wait 和 notify ，主要用於執行緒間通訊，最大的優勢是 Object 的 wait 是把執行緒放到當前物件的等待池中，也就是說一個物件只能有一個等待條件，而 Condition 可以支援多個等待條件，舉個例子，商品要等至少三個人預定了才開始發售，第一個預定的減500，第二三兩個減100。正式發售之後恢復原價。

public class ReentrantLockConditionDemo {

    private final ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    private final Condition wait1 = reentrantLock.newCondition();
    private final Condition wait2 = reentrantLock.newCondition();
    private int wait1Count = 0;
    private int wait2Count = 0;

    public void buy() {
        int price = 999;
        reentrantLock.lock();
        try {
            while (wait1Count++ < 1) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "減500");
                wait1.await();
                price -= 500;
            }
            wait1.signal();
            while (wait2Count++ < 2) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "減100");
                wait2.await();
                price -= 100;
            }
            wait2.signal();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到手價" + price);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        ReentrantLockConditionDemo reentrantLockConditionDemo = new ReentrantLockConditionDemo();
        IntStream.rangeClosed(0, 4)
                .forEach(num -> executorService
                        .execute(reentrantLockConditionDemo::buy)
                );
    }
  
    /**
     * 輸出：
     *
     * pool-1-thread-1減500
     * pool-1-thread-2減100
     * pool-1-thread-3減100
     * pool-1-thread-4到手價999
     * pool-1-thread-5到手價999
     * pool-1-thread-1到手價499
     * pool-1-thread-2到手價899
     * pool-1-thread-3到手價899
     */
}
  • ReentrantLock#newCondition

先來看條件的建立，需要基於鎖物件使用 newCondition 去建立

public Condition newCondition() {
  return sync.newCondition();
}

final ConditionObject newCondition() {
  // ConditionObject 是 AQS 中對 Condition 的實現
  return new ConditionObject();
}

ConditionObject結構

上一篇文章中介紹了 Node 結構，這裡條件也使用了這個節點定義了一個單連結串列，統稱為條件佇列，上一篇介紹統稱同步佇列。條件佇列結構相當簡單就不單獨畫圖了。

// 條件佇列頭
private transient Node firstWaiter;
// 條件佇列尾
private transient Node lastWaiter;

// 因為預設感知中斷，需要考慮如何處理
// 退出條件佇列時重新設定中斷位
private static final int REINTERRUPT =  1;
// 退出條件佇列時直接拋異常
private static final int THROW_IE    = -1;

條件佇列入隊

  • AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject#await
public final void await() throws InterruptedException {
  if (Thread.interrupted())
    throw new InterruptedException();
  // 到條件佇列中排隊，下文詳解
  Node node = addConditionWaiter();
  // 此方法比較簡單，就是呼叫前一篇講過的 release 方法釋放鎖（呼叫 await 時必定是鎖的持有者）
  // savedState 是進入條件佇列前，持有鎖的數量
  // 失敗會直接丟擲異常，並且最終把節點狀態設定為 CANCELLED
  int savedState = fullyRelease(node);
  int interruptMode = 0;
  // 判斷在不在同步佇列（當呼叫signal之後會從條件佇列移到同步佇列），此判斷很簡單：節點狀態是 CONDITION 肯定 false，否則就到同步佇列中去找
  while (!isOnSyncQueue(node)) {
    // 掛起
    LockSupport.park(this);
    // 檢查是不是因為中斷被喚醒的，下文詳解
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
      break;
  }
  // 上一篇介紹過acquireQueued自旋搶鎖，如果搶到鎖了，並且中斷模式不是 -1（預設0），就記錄中斷模式為1，表示需要重新設定中斷
  if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
    interruptMode = REINTERRUPT;
  // 清除條件佇列中取消的節點
  if (node.nextWaiter != null)
    // 下文詳解，在addConditionWaiter方法中也有用到
    unlinkCancelledWaiters();
  // 處理中斷
  if (interruptMode != 0)
    // 1：再次中斷	-1:丟擲異常
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
  • AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject#addConditionWaiter

加入條件佇列

private Node addConditionWaiter() {
  Node t = lastWaiter;
  // 如果條件佇列最後一個節點取消了，就清理
  if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
    unlinkCancelledWaiters();
    t = lastWaiter;
  }
  // 新建一個 waitStatus = -2 的節點
  Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
  // 下面是簡單的單連結串列操作，之前同步佇列入隊用的 CAS 操作，因為會有很多執行緒去搶鎖，而執行緒進入條件佇列一定是拿到鎖了，不滿足條件了，所以不存在併發問題
  if (t == null)
    firstWaiter = node;
  else
    t.nextWaiter = node;
  lastWaiter = node;
  return node;
}
  • AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject#unlinkCancelledWaiters
private void unlinkCancelledWaiters() {
    Node t = firstWaiter;
    // 輔助變數，用於接尾巴，trail始終等於迴圈中當前節點t的上一個不是取消狀態的節點
    Node trail = null;
    while (t != null) {
        Node next = t.nextWaiter;
        // 判斷當前節點有沒有取消
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            // 斷當前節點鏈
            t.nextWaiter = null;
            // trail == null 說明目前條件佇列裡面全取消了
            if (trail == null)
                // 頭節點指向第一個沒取消的節點
                firstWaiter = next;
            else
                // trail 是 t 的前一個節點，也就是踢出了 t
                trail.nextWaiter = next;
            // 如果最後一個節點取消了，那需要改一下尾指標
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        }
        else
            trail = t;
        t = next;
    }
}
  • AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject#checkInterruptWhileWaiting

上文 await 方法中，執行緒一旦喚醒會先檢查中斷

private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    // 沒中斷，返回0，中斷了需要放回同步佇列
    return Thread.interrupted() ?
        (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
    0;
}
  • AbstractQueuedSynchronizer#transferAfterCancelledWait
// 如果
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
    // 把因為中斷醒來的節點，設定狀態為全新的節點，從條件佇列放入同步佇列
    if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        enq(node);
        return true;
    }
    // 上面改狀態為什麼要 CAS ? 如果中斷喚醒的同時被 signal 喚醒了，在 signal 入隊成功之前讓出cpu，但是不釋放鎖
    while (!isOnSyncQueue(node))
        Thread.yield();
    return false;
}

條件佇列出隊

單個喚醒和喚醒所以掉的方法類似，看一個單個喚醒流程就可

  • AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject#signal
public final void signal() {
    // 如果持有鎖的執行緒不是當前執行緒就拋異常，也就是隻有獲得鎖的執行緒可以執行喚醒操作
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    // 通知條件佇列中的第一個節點，也就是等的最久的節點
    if (first != null)
        doSignal(first);
}
  • AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject#doSignal
private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 把 first 斷鏈
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
        // 如果轉移到同步佇列失敗了，並且還有條件佇列不為空就喚醒下一個
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}
  • AbstractQueuedSynchronizer#transferForSignal
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 如果節點取消了，轉移失敗
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    // 這裡的 p 是 node 在同步佇列裡的前驅節點
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    // 看過上一篇文章應該有映像，只要是進同步佇列，都需要把前一個節點狀態設為 -1
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        // 如果取消了，或者狀態設定失敗，喚醒後繼續掛起
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

最後按照慣例結合上面的案例，畫張圖總結下：

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