ReentrantLock 公平鎖原始碼 第1篇

Jame!發表於2022-07-08
ReentrantLock原始碼

ReentrantLock 1

這篇還是接著ReentrantLock的公平鎖,沒看過第0篇的可以先去看上一篇https://www.cnblogs.com/sunankang/p/16456342.html

這篇就以問題為導向,先提出問題,然後根據問題去看程式碼

確保能喚醒排隊的執行緒?

A,B兩執行緒,A執行緒執行完業務釋放鎖過程中B執行緒新增進了連結串列,如何保證B執行緒能正常醒來

現在假設A執行緒走完tryAcuqire後獲取到鎖,執行業務程式碼,最後unlock() tryAcquire程式碼就不進去看了,上篇講過了 現在只需關注兩個點

lock方法中的acquireQueued 用來park

unlock方法中的release用來unpark

首先來看park的條件是啥

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

進入acquireQueued方法

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt()) //在這裡進行的park
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

也就是shouldParkAfterFailedAcquire 如果這個方法返回true,才會去park

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

現在假設第一種情況,首次進入這個shouldParkAfterFailedAcquire方法的時候,A執行緒就進入unlock方法了 那麼此時節點狀態如下圖

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        //主要看這段程式碼
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

那麼h!=null進入,但是頭節點的waitStatus還是0,所以不走unpark,A執行緒結束

A執行緒結束了誰來喚醒B執行緒呢? 回到acquireQueued方法

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

因為第一次進入shouldParkAfterFailedAcquire方法中,最後走到else程式碼塊,我們假設沒有發生衝突,修改成功

A執行緒執行完了unlock,而此時鎖的狀態值為0,沒有被持有的狀態,最外層的for(;;)讓程式碼又重新跑了一遍

第二次的時候if (p == head && tryAcquire(arg)) 這個if就會進入,因為現在已經沒有其他執行緒在持有鎖了,所以tryAcquire嘗試獲取鎖成功,返回ture

private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

在setHead方法中將當前節點,我們們這個例子中也就是B節點,設定為head,之後清空上個引用和當前引用的執行緒

最後清除上個節點對B節點的引用,此時節點關係如下

而原來的頭節點沒有任何引用,等待GC即可,也可以看到在程式碼p.next = null; // help GC 這段旁邊寫的註釋 幫助GC

之後將失敗狀態設定為false,返回是否被打斷的變數,lock方法結束,

現在來假設在shouldParkAfterFailedAcquire方法中修改成功,但此時的A執行緒還沒有走到unlock,當B執行緒馬上要開始走parkAndCheckInterrupt方法開始park的時候,時間片用完的情況

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                //====假設此時B執行緒在這裡=====
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

此時節點關係如下

A執行緒的unlock就可以進入unparkSuccessor

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

private void unparkSuccessor(Node node) {

    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

第一個if判斷為true,嘗試修改狀態為0 (這裡沒看懂為什麼是嘗試修改)

if (s == null || s.waitStatus > 0) 這個判斷我們是不進入的,注意unparkSuccessor這個方法的node引數是head節點,而不是我們的B節點,所以繼續執行下面的if判斷

s就是B節點,在B執行緒park前喚醒,B執行緒再走到park的時候是不會再進行park的,直接返回,方法結束

真的公平嗎?

A執行緒在執行,B執行緒初始化連結串列中的過程中,A執行緒執行完成,釋放鎖,C執行緒進入

我們只需要看執行緒B初始化連結串列的情況即可

addWaiter中enq方法

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                //假設執行緒B走到這裡時間片用完,還沒來得及設定tail
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

那麼此時執行緒A解鎖了,執行緒C呼叫lock方法

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;
}

在tryAcquire方法的hasQueuedPredecessors方法中

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail;
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

此時tail還是null,而head已經被執行緒B設定了一個空Node,h!=t為true,h也只是一個空Node,所以(s = h.next) == null為true,整體返回true,外層取反為false,退出tryAcquire方法去入佇列

那麼入佇列會破壞佇列的初始化或者C執行緒變成第一個排隊的節點嗎?,注意我們們現在假設的執行緒B還沒有獲取到cpu的呼叫,還是停在 tail = head;程式碼執行前

執行緒C執行addWaiter方法

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;
}

這個時候tail還是空,進入enq方法

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

首先第一個判斷是會進入的,這個時候tail還是空,但是if (compareAndSetHead(new Node()))方法不會成功,來看看程式碼

private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
    //注意第三個引數 null
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
}

判斷的是head為null的時候才會進行修改,所以執行緒C沒有修改成功,那麼會一直在for(;;)中迴圈,直到執行緒B初始化完空的頭節點,也就是執行tail = head;這段程式碼

如果執行緒B走完了 tail = head;沒來得及進行第二次迴圈新增B節點的時候,執行緒A解鎖了,執行緒C進來了呢

還是在tryAcquire方法的hasQueuedPredecessors中

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail;
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

這個時候第一個h!=t就是false,因為B執行緒已經將head和tail的引用指向同一個空節點了,返回false

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //因為返回false,取反則進行獲取鎖的操作
        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;
}

C執行緒直接獲取鎖去執行程式碼了,所以ReentrantLock的公平鎖其實並不是絕對的公平

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