ReentrantLock源码分析(二)-获取锁细节

Abel sun2022年12月24日约 5082 字大约 17 分钟

ReentrantLock源码分析(二)-获取锁细节

1. ReentrantLock 中线程加入等待队列

1.1 加入队列的时机

当执行Acquire(1)时，会通过tryAcquire获取锁。在这种情况下，如果获取锁失败，就会调用 addWaiter加入到等待队列中去。

在AQS 中

 public final void acquire(int arg) {
        // 当执行Acquire(1)时，会通过tryAcquire获取锁。在这种情况下，如果获取锁失败，就会调用 addWaiter加入到等待队列中去。
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

在 ReentrantLock

/**
     * 非公平锁
     * Sync object for non-fair locks
     */
    static final class NonfairSync extends Sync {

        /**
         * 获得锁
         */
        final void lock() {
            /**
             * 若通过CAS设置变量State（同步状态）成功，也就是获取锁成功，则将当前线程设置为独占线程。
             * 若通过CAS设置变量State（同步状态）失败，也就是获取锁失败，则进入Acquire方法进行后续处理。
             */
            if (compareAndSetState(0, 1))
                // 把当前线程设置独占了锁
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else// 锁已经被占用，或者set失败
                // 以独占模式获取对象，忽略中断
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

		 /**
     * 公平锁
     * Sync object for fair locks
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            // 以独占模式获取对象，忽略中断
            // aqs 的 acquire 方法
            acquire(1);
        }
    }

1.2 如何加入队列

获取锁失败后，会执行 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)加入等待队列，具体实现方法如下：

 /**
     * 获取锁失败后，会执行 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)加入等待队列，具体实现方法如下：
     * 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) {
        // 1. 通过当前的线程和锁模式新建一个节点。
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        // 2. Pred指针指向尾节点Tail。
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            // 3. 将New中Node的Prev指针指向Pred。
            node.prev = pred;
            // 4. 通过compareAndSetTail方法，完成尾节点的设置。这个方法主要是对 tailOffset和 Expect进行比较，
            // 如果 tailOffset的 Node和 Expect的 Node地址是相同的，那么设置 Tail的值为 Update的值。
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}

主要的流程如下：

通过当前的线程和锁模式新建一个节点。
Pred指针指向尾节点Tail。
将New中Node的Prev指针指向Pred。

通过compareAndSetTail方法，完成尾节点的设置。这个方法主要是对 tailOffset和 Expect进行比较，如果 tailOffset的 Node和 Expect的 Node地址是相同的，那么设置 Tail的值为 Update的值。

 // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
 static {
     try {
         stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
         headOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
         tailOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
         waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset(Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
         nextOffset = unsafe.objectFieldOffset(Node.class.getDeclaredField("next"));
    } catch (Exception ex) { 
    throw new Error(ex); 
  }
}

从AQS的静态代码块可以看出，都是获取一个对象的属性相对于该对象在内存当中的偏移量，这样我们就可以根据这个偏移量在对象内存当中找到这个属性。tailOffset指的是 tail对应的偏移量，所以这个时候会将 new出来的 Node置为当前队列的尾节点。同时，由于是双向链表，也需要将前一个节点指向尾节点。

如果 Pred指针是 Null（说明等待队列中没有元素），或者当前 Pred指针和 Tail指向的位置不同（说明被别的线程已经修改），就需要看一下 Enq的方法。

  // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
  
  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;
             }
         }
     }
 }

如果没有被初始化，需要进行初始化一个头结点出来。但请注意，初始化的头结点并不是当前线程节点，而是调用了无参构造函数的节点。如果经历了初始化或者并发导致队列中有元素，则与之前的方法相同。其实，addWaiter就是一个在双端链表添加尾节点的操作，需要注意的是，双端链表的头结点是一个无参构造函数的头结点

1.3 线程获取锁过程总结

当没有线程获取到锁时，线程1获取锁成功。
线程2申请锁，但是锁被线程1占有。

如果再有线程要获取锁，依次在队列中往后排队即可。

1.4 公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点

回到上边的代码，hasQueuedPredecessors是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法。如果返回False，说明当前线程可以争取共享资源；如果返回True，说明队列中存在有效节点，当前线程必须加入到等待队列中。

 
 public final boolean hasQueuedPredecessors() {
     // The correctness of this depends on head being initialized
     // before tail and on head.next being accurate if the current
     // thread is first in queue.
     Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
     Node h = head;
     Node s;
     return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
 }

看到这里，我们理解一下h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());为什么要判断的头结点的下一个节点？第一个节点储存的数据是什么？

双向链表中，第一个节点为虚节点，其实并不存储任何信息，只是占位。真正的第一个有数据的节点，是在第二个节点开始的。当h != t时：如果(s = h.next) == null，等待队列正在有线程进行初始化，但只是进行到了Tail指向Head，没有将Head指向Tail，此时队列中有元素，需要返回True（这块具体见下边代码分析）。如果(s = h.next) != null，说明此时队列中至少有一个有效节点。如果此时s.thread == Thread.currentThread()，说明等待队列的第一个有效节点中的线程与当前线程相同，那么当前线程是可以获取资源的；如果s.thread != Thread.currentThread()，说明等待队列的第一个有效节点线程与当前线程不同，当前线程必须加入进等待队列。

 // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#enq
 
 if (t == null) { // Must initialize
     if (compareAndSetHead(new Node()))
         tail = head;
 } else {
     node.prev = t;
     if (compareAndSetTail(t, node)) {
         t.next = node;
         return t;
     }
 }

节点入队不是原子操作，所以会出现短暂的head != tail，此时Tail指向最后一个节点，而且Tail指向Head。如果Head没有指向Tail（可见5、6、7行），这种情况下也需要将相关线程加入队列中。所以这块代码是为了解决极端情况下的并发问题。

1.5 等待队列中线程出队列时机

回到最初的源码：

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

上文解释了addWaiter方法，这个方法其实就是把对应的线程以 Node的数据结构形式加入到双端队列里，返回的是一个包含该线程的Node。而这个 Node会作为参数，进入到 acquireQueued方法中。acquireQueued方法可以对排队中的线程进行“获锁”操作。总的来说，一个线程获取锁失败了，被放入等待队列，acquireQueued会把放入队列中的线程不断去获取锁，直到获取成功或者不再需要获取（中断）。

下面我们从“何时出队列？”和“如何出队列？”两个方向来分析一下acquireQueued源码：

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 标记是否成功拿到资源
    boolean failed = true;
    try {
        // 标记等待过程中是否中断过
        boolean interrupted = false;
        // 开始自旋，要么获取锁，要么中断
        for (;;) {
            // 获取当前节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果p是头结点，说明当前节点在真实数据队列的首部，就尝试获取锁（别忘了头结点是虚节点）
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 获取锁成功，头指针移动到当前node
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 说明p为头节点且当前没有获取到锁（可能是非公平锁被抢占了）或者是p不为头结点，这个时候就要判断当前node是否要被阻塞（被阻塞条件：前驱节点的waitStatus为-1），防止无限循环浪费资源。具体两个方法下面细细分析
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

注：setHead方法是把当前节点置为虚节点，但并没有修改waitStatus，因为它是一直需要用的数据。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

// 靠前驱节点判断当前线程是否应该被阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 获取头结点的节点状态
    int ws = pred.waitStatus;
    // 说明头结点处于唤醒状态
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true; 
    // 通过枚举值我们知道waitStatus>0是取消状态
    if (ws > 0) {
        do {
            // 循环向前查找取消节点，把取消节点从队列中剔除
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 设置前任节点等待状态为SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

parkAndCheckInterrupt主要用于挂起当前线程，阻塞调用栈，返回当前线程的中断状态。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

上述方法的流程图如下：

从上图可以看出，跳出当前循环的条件是当“前置节点是头结点，且当前线程获取锁成功”。为了防止因死循环导致CPU资源被浪费，我们会判断前置节点的状态来决定是否要将当前线程挂起，具体挂起流程用流程图表示如下（shouldParkAfterFailedAcquire流程）：

从队列中释放节点的疑虑打消了，那么又有新问题了：

shouldParkAfterFailedAcquire中取消节点是怎么生成的呢？什么时候会把一个节点的waitStatus设置为-1？
是在什么时间释放节点通知到被挂起的线程呢？

2. CANCELLED状态节点生成

acquireQueued方法中的 Finally代码：

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
    ...
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                ...
                failed = false;
        ...
            }
            ...
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
        }
}

通过cancelAcquire方法，将Node的状态标记为CANCELLED。接下来，我们逐行来分析这个方法的原理：

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private void cancelAcquire(Node node) {
  // 将无效节点过滤
    if (node == null)
        return;
  // 设置该节点不关联任何线程，也就是虚节点
    node.thread = null;
    Node pred = node.prev;
  // 通过前驱节点，跳过取消状态的node
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;
  // 获取过滤后的前驱节点的后继节点
    Node predNext = pred.next;
  // 把当前node的状态设置为CANCELLED
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
  // 如果当前节点是尾节点，将从后往前的第一个非取消状态的节点设置为尾节点
  // 更新失败的话，则进入else，如果更新成功，将tail的后继节点设置为null
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        int ws;
    // 如果当前节点不是head的后继节点，1:判断当前节点前驱节点的是否为SIGNAL，2:如果不是，则把前驱节点设置为SINGAL看是否成功
    // 如果1和2中有一个为true，再判断当前节点的线程是否为null
    // 如果上述条件都满足，把当前节点的前驱节点的后继指针指向当前节点的后继节点
        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)
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
      // 如果当前节点是head的后继节点，或者上述条件不满足，那就唤醒当前节点的后继节点
            unparkSuccessor(node);
        }
        node.next = node; // help GC
    }
}

当前的流程：

获取当前节点的前驱节点，如果前驱节点的状态是CANCELLED，那就一直往前遍历，找到第一个waitStatus <= 0的节点，将找到的Pred节点和当前Node关联，将当前Node设置为CANCELLED。
根据当前节点的位置，考虑以下三种情况：

(1) 当前节点是尾节点。

(2) 当前节点是Head的后继节点。

(3) 当前节点不是Head的后继节点，也不是尾节点。

根据上述第二条，我们来分析每一种情况的流程。

当前节点是尾节点。

当前节点是Head的后继节点。

当前节点不是Head的后继节点，也不是尾节点。

通过上面的流程，我们对于CANCELLED节点状态的产生和变化已经有了大致的了解，但是为什么所有的变化都是对Next指针进行了操作，而没有对Prev指针进行操作呢？什么情况下会对Prev指针进行操作？

执行cancelAcquire的时候，当前节点的前置节点可能已经从队列中出去了（已经执行过Try代码块中的shouldParkAfterFailedAcquire方法了），如果此时修改Prev指针，有可能会导致Prev指向另一个已经移除队列的Node，因此这块变化Prev指针不安全。 shouldParkAfterFailedAcquire方法中，会执行下面的代码，其实就是在处理Prev指针。shouldParkAfterFailedAcquire是获取锁失败的情况下才会执行，进入该方法后，说明共享资源已被获取，当前节点之前的节点都不会出现变化，因此这个时候变更Prev指针比较安全。

do {
    node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);

3. 如何解锁

我们已经剖析了加锁过程中的基本流程，接下来再对解锁的基本流程进行分析。由于 ReentrantLock在解锁的时候，并不区分公平锁和非公平锁，所以我们直接看解锁的源码：

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

可以看到，本质释放锁的地方，是通过框架来完成的。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

在ReentrantLock里面的公平锁和非公平锁的父类Sync定义了可重入锁的释放锁机制。

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync

// 方法返回当前锁是不是没有被线程持有
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 减少可重入次数
    int c = getState() - releases;
    // 当前线程不是持有锁的线程，抛出异常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 如果持有线程全部释放，将当前独占锁所有线程设置为null，并更新state
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

我们来解释下述源码：

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

public final boolean release(int arg) {
    // 上边自定义的tryRelease如果返回true，说明该锁没有被任何线程持有
    if (tryRelease(arg)) {
        // 获取头结点
        Node h = head;
        // 头结点不为空并且头结点的waitStatus不是初始化节点情况，解除线程挂起状态
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

这里的判断条件为什么是h != null && h.waitStatus != 0？

h == null Head还没初始化。初始情况下，head == null，第一个节点入队，Head会被初始化一个虚拟节点。所以说，这里如果还没来得及入队，就会出现head == null 的情况。
h != null && waitStatus == 0 表明后继节点对应的线程仍在运行中，不需要唤醒。
h != null && waitStatus < 0 表明后继节点可能被阻塞了，需要唤醒。

再看一下 unparkSuccessor方法：

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 获取头结点waitStatus
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 获取当前节点的下一个节点
    Node s = node.next;
    // 如果下个节点是null或者下个节点被cancelled，就找到队列最开始的非cancelled的节点
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 就从尾部节点开始找，到队首，找到队列第一个waitStatus<0的节点。
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果当前节点的下个节点不为空，而且状态<=0，就把当前节点unpark
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

为什么要从后往前找第一个非Cancelled的节点呢？原因如下。

之前的 addWaiter方法：

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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;
}

我们从这里可以看到，节点入队并不是原子操作，也就是说，node.prev = pred; compareAndSetTail(pred, node) 这两个地方可以看作Tail入队的原子操作，但是此时pred.next = node;还没执行，如果这个时候执行了unparkSuccessor方法，就没办法从前往后找了，所以需要从后往前找。还有一点原因，在产生CANCELLED状态节点的时候，先断开的是Next指针，Prev指针并未断开，因此也是必须要从后往前遍历才能够遍历完全部的Node。

综上所述，如果是从前往后找，由于极端情况下入队的非原子操作和CANCELLED节点产生过程中断开Next指针的操作，可能会导致无法遍历所有的节点。所以，唤醒对应的线程后，对应的线程就会继续往下执行。继续执行acquireQueued方法以后，中断如何处理？

4. 中断恢复后的执行流程

唤醒后，会执行 return Thread.interrupted();，这个函数返回的是当前执行线程的中断状态，并清除。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

再回到 acquireQueued代码，当 parkAndCheckInterrupt返回True或者False的时候，interrupted的值不同，但都会执行下次循环。如果这个时候获取锁成功，就会把当前 interrupted返回。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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);
    }
}

如果acquireQueued为True，就会执行selfInterrupt方法。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

该方法其实是为了中断线程。但为什么获取了锁以后还要中断线程呢？这部分属于Java提供的协作式中断知识内容，感兴趣同学可以查阅一下。这里简单介绍一下：

当中断线程被唤醒时，并不知道被唤醒的原因，可能是当前线程在等待中被中断，也可能是释放了锁以后被唤醒。因此我们通过Thread.interrupted()方法检查中断标记（该方法返回了当前线程的中断状态，并将当前线程的中断标识设置为False），并记录下来，如果发现该线程被中断过，就再中断一次。
线程在等待资源的过程中被唤醒，唤醒后还是会不断地去尝试获取锁，直到抢到锁为止。也就是说，在整个流程中，并不响应中断，只是记录中断记录。最后抢到锁返回了，那么如果被中断过的话，就需要补充一次中断。

这里的处理方式主要是运用线程池中基本运作单元Worder中的runWorker，通过Thread.interrupted()进行额外的判断处理，感兴趣的同学可以看下ThreadPoolExecutor源码。

5. 小结

Q：某个线程获取锁失败的后续流程是什么呢？
A：存在某种排队等候机制，线程继续等待，仍然保留获取锁的可能，获取锁流程仍在继续。
Q：既然说到了排队等候机制，那么就一定会有某种队列形成，这样的队列是什么数据结构呢？
A：是CLH变体的FIFO双端队列。
Q：处于排队等候机制中的线程，什么时候可以有机会获取锁呢？
A：可以详细看下前面章节
Q：如果处于排队等候机制中的线程一直无法获取锁，需要一直等待么？还是有别的策略来解决这一问题？
A：线程所在节点的状态会变成取消状态，取消状态的节点会从队列中释放，具体可见2.3.2小节。
Q：Lock函数通过Acquire方法进行加锁，但是具体是如何加锁的呢？
A：AQS的Acquire会调用tryAcquire方法，tryAcquire由各个自定义同步器实现，通过tryAcquire完成加锁过程。

参考文章

ReentrantLock 锁详解open in new window

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ReentrantLock源码分析(二)-获取锁细节

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# 1. ReentrantLock 中线程加入等待队列

# 1.1 加入队列的时机

# 1.2 如何加入队列

# 1.3 线程获取锁 过程总结

# 1.4 公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点

# 1.5 等待队列中线程出队列时机

# 2. CANCELLED状态节点生成

# 3. 如何解锁

# 4. 中断恢复后的执行流程

# 5. 小结

# 参考文章

预览:

ReentrantLock源码分析(二)-获取锁细节

1. ReentrantLock 中线程加入等待队列

1.1 加入队列的时机

1.2 如何加入队列

1.3 线程获取锁过程总结

1.4 公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点

1.5 等待队列中线程出队列时机

2. CANCELLED状态节点生成

3. 如何解锁

4. 中断恢复后的执行流程

5. 小结

参考文章