Java并发编程与技术内幕:聊聊锁的技术内幕（上）

转自http://blog.csdn.NET/evankaka

一、基础知识

       在Java并发编程里头，锁是一个非常重要的概念。就如同现实生活一样，如果房子上了锁。别人就进不去。Java里头如果一段代码取得了一个锁，其它地方再想去这个锁（或者再执行这个相同的代码）就都得等待锁释放。锁其实分成非常多。比如有互斥锁、读写锁、乐观锁、悲观锁、自旋锁、公平锁、非公平锁等。包括信号量其实都可以认为是一个锁。

 1、什么时需要锁呢？

     其实非常多的场景，如共享实例变量、共享连接资源时以及包括并发包中BlockingQueue、ConcurrentHashMap等并发集合中都大量使用了锁。基体上使用同步的地方都可以改成锁来用，但是使用锁的地方不一定能改成同步来用。

2、 锁和同步的对比

1）同步synchronized算是一个关键词，是来来修饰方法的，但是锁lock是一个实例变量，通过调用lock()方法来取得锁

2）、只能同步方法，而不能同步变量和类，锁也是一样

3）、同步无法保证线程取得方法执行的先后顺序。锁可以设置公平锁来确保。
4）、不必同步类中所有的方法，类可以同时拥有同步和非同步方法。
5）、如果线程拥有同步和非同步方法，则非同步方法可以被多个线程自由访问而不受锁的限制。锁也是一样。
6）、线程睡眠时，它所持的任何锁都不会释放。
7）、线程可以获得多个锁。比如，在一个对象的同步方法里面调用另外一个对象的同步方法，则获取了两个对象的同步锁。
8）、同步损害并发性，应该尽可能缩小同步范围。同步不但可以同步整个方法，还可以同步方法中一部分代码块。
9）、在使用同步代码块时候，应该指定在哪个对象上同步，也就是说要获取哪个对象的锁。例如：

最后，还需要说的一点是。如果使用锁，那么一定的注意编写代码，但不很容易出现死锁！避免方法后文后讲。

 3、简单实例

在看锁的源码时，首先来看个锁的实例，从而对锁有一个简单的理解。由线程A输出1、2、3.接着线程B输出4、5、6.最后线程A再输出7、8、9

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1. package com.func.axc.reentrantlock;  
2.   
3. import java.util.concurrent.locks.Condition;  
4. import java.util.concurrent.locks.Lock;  
5. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
6.   
7. /** 
8.  * 功能概要： 
9.  *  
10.  * @author linbingwen 
11.  * @since 2016年5月27日 
12.  */  
13. public class ReenTrantLockTest {  
14.   
15.     static class NumberWrapper {  
16.         public int value = 1;  
17.     }  
18.   
19.     public static void main(String[] args) {  
20.         // 初始化可重入锁  
21.         final Lock lock = new ReentrantLock();  
22.   
23.         // 第一个条件当屏幕上输出到3  
24.         final Condition reachThreeCondition = lock.newCondition();  
25.         // 第二个条件当屏幕上输出到6  
26.         final Condition reachSixCondition = lock.newCondition();  
27.   
28.         // NumberWrapper只是为了封装一个数字，一边可以将数字对象共享，并可以设置为final  
29.         // 注意这里不要用Integer, Integer 是不可变对象  
30.         final NumberWrapper num = new NumberWrapper();  
31.         // 初始化A线程  
32.         Thread threadA = new Thread(new Runnable() {  
33.             @Override  
34.             public void run() {  
35.                 // 需要先获得锁  
36.                 lock.lock();  
37.                 try {  
38.                     System.out.println("threadA start write");  
39.                     // A线程先输出前3个数  
40.                     while (num.value <= 3) {  
41.                         System.out.println(num.value);  
42.                         num.value++;  
43.                     }  
44.                     // 输出到3时要signal，告诉B线程可以开始了  
45.                     reachThreeCondition.signal();  
46.                 } finally {  
47.                     lock.unlock();  
48.                 }  
49.                 lock.lock();  
50.                 try {  
51.                     // 等待输出6的条件  
52.                     reachSixCondition.await();  
53.                     System.out.println("threadA start write");  
54.                     // 输出剩余数字  
55.                     while (num.value <= 9) {  
56.                         System.out.println(num.value);  
57.                         num.value++;  
58.                     }  
59.   
60.                 } catch (InterruptedException e) {  
61.                     e.printStackTrace();  
62.                 } finally {  
63.                     lock.unlock();  
64.                 }  
65.             }  
66.   
67.         });  
68.   
69.         Thread threadB = new Thread(new Runnable() {  
70.             @Override  
71.             public void run() {  
72.                 try {  
73.                     lock.lock();  
74.   
75.                     while (num.value <= 3) {  
76.                         // 等待3输出完毕的信号  
77.                         reachThreeCondition.await();  
78.                     }  
79.                 } catch (InterruptedException e) {  
80.                     e.printStackTrace();  
81.                 } finally {  
82.                     lock.unlock();  
83.                 }  
84.                 try {  
85.                     lock.lock();  
86.                     // 已经收到信号，开始输出4，5，6  
87.                     System.out.println("threadB start write");  
88.                     while (num.value <= 6) {  
89.                         System.out.println(num.value);  
90.                         num.value++;  
91.                     }  
92.                     // 4，5，6输出完毕，告诉A线程6输出完了  
93.                     reachSixCondition.signal();  
94.                 } finally {  
95.                     lock.unlock();  
96.                 }  
97.             }  
98.   
99.         });  
100.   
101.         // 启动两个线程  
102.         threadB.start();  
103.         threadA.start();  
104.     }  
105. }  

输出结果：

这个题目用同步的方法也做其实也可以。但是用锁可能更好一点。在上面笔者使用了锁和条件从而完成 了要求。

二、说说源码

最基础的我们先来看看lock方法

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1. package java.util.concurrent.locks;  
2. import java.util.concurrent.TimeUnit;  
3.   
4. public interface Lock {  
5.   
6.     //取得锁，但是要注意lock()忽视interrupt(), 拿不到锁就 一直阻塞  
7.     void lock();  
8.   
9.     //同样也是取得锁，但是lockInterruptibly()会响应打扰 interrupt()并catch到InterruptedException，从而跳出阻塞  
10.     void lockInterruptibly() throws InterruptedException;  
11.   
12.     //尝试取得锁，成功返回true  
13.     boolean tryLock();  
14.   
15.     //在规定的时间等待里，如果取得锁就返回tre  
16.     boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;  
17.   
18.     //释放锁  
19.     void unlock();  
20.     //条件状态，非常有用，Blockingqueue阻塞队列就是用到它了  
21.     Condition newCondition();  
22. }  

1、接下来看看它最常见的实现类，ReentrantLock可重入锁。

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1. public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {  
2.     private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;  
3.     private final Sync sync; //就只有一个Sync变量，ReentrantLock的所有方法基本都是调用Sync的方法   

2、构造函数

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1. public ReentrantLock() {  
2.     sync = new NonfairSync(); //默认非公平锁  
3. }  
4.   
5. public ReentrantLock(boolean fair) {  
6.     sync = (fair)? new FairSync() : new NonfairSync();//公平锁  
7. }  

其里的公平锁的意思是哪个线程先来等待，谁就先获得这个锁。而非公平锁则是看操作系统的调度，有不确定性。一般设置成非公平锁的性能会好很多。

3、然后看看lock方法

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1. public void lock() {  
2.     sync.lock();  
3. }  

还有这个

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1. public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {  
2.     sync.acquireInterruptibly(1);  
3. }  

发现都 是调用 sync这个变量的方法，它其实是一个ReentrantLock的内部类。真实起作用的其实是它，所以直接看它源码：

首先是非公平锁：

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1. final static class NonfairSync extends Sync {  
2.     private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;  
3.   
4.     final void lock() {  
5.         if (compareAndSetState(0, 1)) //0未获取，1已经获取  
6.             setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置独占模式，则一个锁只能被一个线程持有，其他线程必须要等待。  
7.         else  
8.             acquire(1);//如果没有取得锁，尝试使用信号量的方式  
9.     }  
10.   
11.     protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  
12.         return nonfairTryAcquire(acquires);  
13.     

它使用到的方法如下：

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1. //设置状态  
2. protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {  
3.     return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);  
4. }  
5.   
6. //可以看到, compareAndSwapInt不是用Java实现的, 而是通过JNI调用操作系统的原生程序.注意它是原子方法(C++写的)  
7. ublic final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected, int x);  

最终取得锁的方法其实在java Unsafe类的compareAndSwap方法。compareAndSwap是个原子方法,原理是cas.就是说如果他是xx,那么就改为xxx. 这个是高效,而且是原子的,不用加锁. 也不用但是其他值改了而产生误操作,应为会先判断当前值,符合期望才去改变. 

4、tryLock()方法

上面是lock方法是的调用，如果是tryLock呢？

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1. public boolean tryLock() {  
2.     return sync.nonfairTryAcquire(1);  
3. }  

再看sync的方法

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1. final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {  
2.     final Thread current = Thread.currentThread();  
3.     int c = getState();//取得状态  
4.     if (c == 0) {//0表示未获取锁  
5.         if (compareAndSetState(0, acquires)) {//CAS设置状态  
6.             setExclusiveOwnerThread(current);//设置独占线程  
7.             return true;  
8.         }  
9.     }  
10.     else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//当前线程已有这个锁了  
11.         int nextc = c + acquires;//设置重入的次数，如果是一个线程在有锁的情况下多次调用tryLock就有可能进入这个方法  
12.         if (nextc < 0) // 重入数溢出了  
13.             throw new Error("Maximum lock count exceeded");  
14.         setState(nextc);  
15.         return true;  
16.     }  
17.     return false;//如果到这里就是没有取到锁了，  
18. }  

其中getState()方法是在AbstractQueuedSynchronizer类的就方法，取得就是下面这个变量

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1. private volatile int state;  

在互斥锁中它表示着线程是否已经获取了锁，0未获取，1已经获取了，大于1表示重入数。同时AQS提供了getState()、setState()、compareAndSetState()方法来获取和修改该值：

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1. protected final int getState() {  
2. return state;  
3. }  
4. protected final void setState(int newState) {  
5. state = newState;  
6. }  
7. protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {  
8. return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);  
9. }  

这些方法需要java.util.concurrent.atomic包的支持，采用CAS操作，保证其原则性和可见性。

5、tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法

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1. public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {  
2.     return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));  
3. }  

带有超时时间等待获取锁的方法。真正调用 的其实是Sync父类AbstractQueuedSynchronizer的方法

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1. public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {  
2. (Thread.interrupted())//检测到当前线程的中断标志为true  
3.  throw new InterruptedException();  
4. urn tryAcquire(arg) ||  
5.  doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);  
6. }  

这里调用 了两个方法tryAcquire和doAcquireNanos，其实tryAcquire调用的方法就是Lock()调用的方法

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1. protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  
2.     return nonfairTryAcquire(acquires);  
3. }  

这样就不再说明。下面直接来看doAcquireNanos方法，它才是一直在等待循环获取锁的方法。

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1. private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)  
2.     throws InterruptedException {  
3.     long lastTime = System.nanoTime();  
4.     final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);//放入等待的节点，会组成 一个链表  
5.     try {  
6.         for (;;) { //死循环，时间到了才会跳出  
7.             final Node p = node.predecessor();  
8.             if (p == head && tryAcquire(arg)) { //当前节点是头节点。然后尝试获得锁  
9.                 setHead(node);  
10.                 p.next = null; // 把当前节点去掉  
11.                 return true;  
12.             }  
13.             if (nanosTimeout <= 0) { //超出等待时间  
14.                 cancelAcquire(node);  
15.                 return false;  
16.             }  
17.             if (nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold &&  
18.                 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))  
19.                 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);//还在等待时间内  
20.             long now = System.nanoTime();  
21.             nanosTimeout -= now - lastTime;  
22.             lastTime = now;  
23.             if (Thread.interrupted())//检测到中断信号，直接跳出  
24.                 break;  
25.         }  
26.     } catch (RuntimeException ex) {  
27.         cancelAcquire(node);  
28.         throw ex;  
29.     }  
30.     cancelAcquire(node);//检测 到中断信号时才会执行到这里  
31.     throw new InterruptedException();  
32. }  

锁的介绍就到这里了，下文再来接着讲~