Java的JUC(java.util.concurrent)包中的锁包括"独占锁"和"共享锁"。在“互斥锁ReentrantLock”中,对Java的独占锁进行了说明。本章对Java的“共享锁”进行介绍,JUC中的共享锁有CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, ReentrantReadWriteLock等;本章会以ReentrantReadWriteLock为蓝本对共享锁进行说明。
1. ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock介绍
ReadWriteLock,顾名思义,是读写锁。它维护了一对相关的锁 — — “读取锁”和“写入锁”,一个用于读取操作,另一个用于写入操作。
“读取锁”用于只读操作,它是“共享锁”,能同时被多个线程获取。
“写入锁”用于写入操作,它是“独占锁”,写入锁只能被一个线程锁获取。
注意:不能同时存在读取锁和写入锁!
ReadWriteLock是一个接口。ReentrantReadWriteLock是它的实现类,ReentrantReadWriteLock包括子类ReadLock和WriteLock。
ReadWriteLock函数列表
// 返回用于读取操作的锁。Lock readLock()// 返回用于写入操作的锁。Lock writeLock()
ReentrantReadWriteLock函数列表
// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock,默认是采用“非公平策略”。ReentrantReadWriteLock()// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock,fair是“公平策略”。fair为true,意味着公平策略;否则,意味着非公平策略。ReentrantReadWriteLock(boolean fair)// 返回当前拥有写入锁的线程,如果没有这样的线程,则返回 null。protected Thread getOwner()// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取读取锁的线程。protected CollectiongetQueuedReaderThreads()// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取读取或写入锁的线程。protected CollectiongetQueuedThreads()// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取写入锁的线程。protected CollectiongetQueuedWriterThreads()// 返回等待获取读取或写入锁的线程估计数目。int getQueueLength()// 查询当前线程在此锁上保持的重入读取锁数量。int getReadHoldCount()// 查询为此锁保持的读取锁数量。int getReadLockCount()// 返回一个 collection,它包含可能正在等待与写入锁相关的给定条件的那些线程。protected CollectiongetWaitingThreads(Condition condition)// 返回正等待与写入锁相关的给定条件的线程估计数目。int getWaitQueueLength(Condition condition)// 查询当前线程在此锁上保持的重入写入锁数量。int getWriteHoldCount()// 查询是否给定线程正在等待获取读取或写入锁。boolean hasQueuedThread(Thread thread)// 查询是否所有的线程正在等待获取读取或写入锁。boolean hasQueuedThreads()// 查询是否有些线程正在等待与写入锁有关的给定条件。boolean hasWaiters(Condition condition)// 如果此锁将公平性设置为 ture,则返回 true。boolean isFair()// 查询是否某个线程保持了写入锁。boolean isWriteLocked()// 查询当前线程是否保持了写入锁。boolean isWriteLockedByCurrentThread()// 返回用于读取操作的锁。ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock()// 返回用于写入操作的锁。ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock()
// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock,默认是采用“非公平策略”。
ReentrantReadWriteLock()
// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock,fair是“公平策略”。fair为true,意味着公平策略;否则,意味着非公平策略。
ReentrantReadWriteLock(boolean fair)
// 返回当前拥有写入锁的线程,如果没有这样的线程,则返回 null。
protected Thread getOwner()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取读取锁的线程。
protected CollectiongetQueuedReaderThreads()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取读取或写入锁的线程。
protected CollectiongetQueuedThreads()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取写入锁的线程。
protected CollectiongetQueuedWriterThreads()
// 返回等待获取读取或写入锁的线程估计数目。
int getQueueLength()
// 查询当前线程在此锁上保持的重入读取锁数量。
int getReadHoldCount()
// 查询为此锁保持的读取锁数量。
int getReadLockCount()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待与写入锁相关的给定条件的那些线程。
protected CollectiongetWaitingThreads(Condition condition)
// 返回正等待与写入锁相关的给定条件的线程估计数目。
int getWaitQueueLength(Condition condition)
// 查询当前线程在此锁上保持的重入写入锁数量。
int getWriteHoldCount()
// 查询是否给定线程正在等待获取读取或写入锁。
boolean hasQueuedThread(Thread thread)
// 查询是否所有的线程正在等待获取读取或写入锁。
boolean hasQueuedThreads()
// 查询是否有些线程正在等待与写入锁有关的给定条件。
boolean hasWaiters(Condition condition)
// 如果此锁将公平性设置为 ture,则返回 true。
boolean isFair()
// 查询是否某个线程保持了写入锁。
boolean isWriteLocked()
// 查询当前线程是否保持了写入锁。
boolean isWriteLockedByCurrentThread()
// 返回用于读取操作的锁。
ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock()
// 返回用于写入操作的锁。
ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock()
ReentrantReadWriteLock数据结构
ReentrantReadWriteLock的UML类图如下:
从中可以看出:
(01) ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。ReadWriteLock是一个读写锁的接口,提供了"获取读锁的readLock()函数" 和 "获取写锁的writeLock()函数"。
(02) ReentrantReadWriteLock中包含:sync对象,读锁readerLock和写锁writerLock。读锁ReadLock和写锁WriteLock都实现了Lock接口。读锁ReadLock和写锁WriteLock中也都分别包含了"Sync对象",它们的Sync对象和ReentrantReadWriteLock的Sync对象 是一样的,就是通过sync,读锁和写锁实现了对同一个对象的访问。
(03) 和"ReentrantLock"一样,sync是Sync类型;而且,Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括"公平锁"FairSync和"非公平锁"NonfairSync。sync对象是"FairSync"和"NonfairSync"中的一个,默认是"NonfairSync"。
2. 参考代码
共享锁源码相关的代码如下:
public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L; // ReentrantReadWriteLock的AQS对象 private final Sync sync; protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) { sync = lock.sync; } // 获取“共享锁” public void lock() { sync.acquireShared(1); } // 如果线程是中断状态,则抛出一场,否则尝试获取共享锁。 public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } // 尝试获取“共享锁” public boolean tryLock() { return sync.tryReadLock(); } // 在指定时间内,尝试获取“共享锁” public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout)); } // 释放“共享锁” public void unlock() { sync.releaseShared(1); } // 新建条件 public Condition newCondition() { throw new UnsupportedOperationException(); } public String toString() { int r = sync.getReadLockCount(); return super.toString() + "[Read locks = " + r + "]"; }}
public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L;
// ReentrantReadWriteLock的AQS对象
private final Sync sync;
protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
sync = lock.sync;
}
// 获取“共享锁”
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
// 如果线程是中断状态,则抛出一场,否则尝试获取共享锁。
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 尝试获取“共享锁”
public boolean tryLock() {
return sync.tryReadLock();
}
// 在指定时间内,尝试获取“共享锁”
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
// 释放“共享锁”
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
// 新建条件
public Condition newCondition() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public String toString() {
int r = sync.getReadLockCount();
return super.toString() +
"[Read locks = " + r + "]";
}
}
说明:
ReadLock中的sync是一个Sync对象,Sync继承于AQS类,即Sync就是一个锁。ReentrantReadWriteLock中也有一个Sync对象,而且ReadLock中的sync和ReentrantReadWriteLock中的sync是对应关系。即ReentrantReadWriteLock和ReadLock共享同一个AQS对象,共享同一把锁。
ReentrantReadWriteLock中Sync的定义如下:
final Sync sync;
下面,分别从“获取共享锁”和“释放共享锁”两个方面对共享锁进行说明。
3. 获取共享锁
获取共享锁的思想(即lock函数的步骤),是先通过tryAcquireShared()尝试获取共享锁。尝试成功的话,则直接返回;尝试失败的话,则通过doAcquireShared()不断的循环并尝试获取锁,若有需要,则阻塞等待。doAcquireShared()在循环中每次尝试获取锁时,都是通过tryAcquireShared()来进行尝试的。下面看看“获取共享锁”的详细流程。
3.1 lock()
lock()在ReadLock中,源码如下:
public void lock() { sync.acquireShared(1);}
3.2 acquireShared()
Sync继承于AQS,acquireShared()定义在AQS中。源码如下:
public final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg);}
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
说明:acquireShared()首先会通过tryAcquireShared()来尝试获取锁。
尝试成功的话,则不再做任何动作(因为已经成功获取到锁了)。
尝试失败的话,则通过doAcquireShared()来获取锁。doAcquireShared()会获取到锁了才返回。
3.3 tryAcquireShared()
tryAcquireShared()定义在ReentrantReadWriteLock.java的Sync中,源码如下:
protected final int tryAcquireShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); // 获取“锁”的状态 int c = getState(); // 如果“锁”是“互斥锁”,并且获取锁的线程不是current线程;则返回-1。 if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 获取“读取锁”的共享计数 int r = sharedCount(c); // 如果“不需要阻塞等待”,并且“读取锁”的共享计数小于MAX_COUNT; // 则通过CAS函数更新“锁的状态”,将“读取锁”的共享计数+1。 if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 第1次获取“读取锁”。 if (r == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; // 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程 } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { // HoldCounter是用来统计该线程获取“读取锁”的次数。 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); // 将该线程获取“读取锁”的次数+1。 rh.count++; } return 1; } return fullTryAcquireShared(current);}
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
// 获取“锁”的状态
int c = getState();
// 如果“锁”是“互斥锁”,并且获取锁的线程不是current线程;则返回-1。
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 获取“读取锁”的共享计数
int r = sharedCount(c);
// 如果“不需要阻塞等待”,并且“读取锁”的共享计数小于MAX_COUNT;
// 则通过CAS函数更新“锁的状态”,将“读取锁”的共享计数+1。
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// 第1次获取“读取锁”。
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
// HoldCounter是用来统计该线程获取“读取锁”的次数。
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
// 将该线程获取“读取锁”的次数+1。
rh.count++;
}
return 1;
}
return fullTryAcquireShared(current);
}
说明:tryAcquireShared()的作用是尝试获取“共享锁”。
如果在尝试获取锁时,“不需要阻塞等待”并且“读取锁的共享计数小于MAX_COUNT”,则直接通过CAS函数更新“读取锁的共享计数”,以及将“当前线程获取读取锁的次数+1”。
否则,通过fullTryAcquireShared()获取读取锁。
3.4 fullTryAcquireShared()
fullTryAcquireShared()在ReentrantReadWriteLock中定义,源码如下:
final int fullTryAcquireShared(Thread current) { HoldCounter rh = null; for (;;) { // 获取“锁”的状态 int c = getState(); // 如果“锁”是“互斥锁”,并且获取锁的线程不是current线程;则返回-1。 if (exclusiveCount(c) != 0) { if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 如果“需要阻塞等待”。 // (01) 当“需要阻塞等待”的线程是第1个获取锁的线程的话,则继续往下执行。 // (02) 当“需要阻塞等待”的线程获取锁的次数=0时,则返回-1。 } else if (readerShouldBlock()) { // 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程 if (firstReader == current) { } else { if (rh == null) { rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) { rh = readHolds.get(); if (rh.count == 0) readHolds.remove(); } } // 如果当前线程获取锁的计数=0,则返回-1。 if (rh.count == 0) return -1; } } // 如果“不需要阻塞等待”,则获取“读取锁”的共享统计数; // 如果共享统计数超过MAX_COUNT,则抛出异常。 if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 将线程获取“读取锁”的次数+1。 if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 如果是第1次获取“读取锁”,则更新firstReader和firstReaderHoldCount。 if (sharedCount(c) == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; // 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程, // 则将firstReaderHoldCount+1。 } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { if (rh == null) rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); // 更新线程的获取“读取锁”的共享计数 rh.count++; cachedHoldCounter = rh; // cache for release } return 1; } }}
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
HoldCounter rh = null;
for (;;) {
// 获取“锁”的状态
int c = getState();
// 如果“锁”是“互斥锁”,并且获取锁的线程不是current线程;则返回-1。
if (exclusiveCount(c) != 0) {
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 如果“需要阻塞等待”。
// (01) 当“需要阻塞等待”的线程是第1个获取锁的线程的话,则继续往下执行。
// (02) 当“需要阻塞等待”的线程获取锁的次数=0时,则返回-1。
} else if (readerShouldBlock()) {
// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程
if (firstReader == current) {
} else {
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId()) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
// 如果当前线程获取锁的计数=0,则返回-1。
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
// 如果“不需要阻塞等待”,则获取“读取锁”的共享统计数;
// 如果共享统计数超过MAX_COUNT,则抛出异常。
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 将线程获取“读取锁”的次数+1。
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// 如果是第1次获取“读取锁”,则更新firstReader和firstReaderHoldCount。
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程,
// 则将firstReaderHoldCount+1。
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
// 更新线程的获取“读取锁”的共享计数
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh; // cache for release
}
return 1;
}
}
}
说明:fullTryAcquireShared()会根据“是否需要阻塞等待”,“读取锁的共享计数是否超过限制”等等进行处理。如果不需要阻塞等待,并且锁的共享计数没有超过限制,则通过CAS尝试获取锁,并返回1。
3.5 doAcquireShared()
doAcquireShared()定义在AQS函数中,源码如下:
private void doAcquireShared(int arg) { // addWaiter(Node.SHARED)的作用是,创建“当前线程”对应的节点,并将该线程添加到CLH队列中。 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { // 获取“node”的前一节点 final Node p = node.predecessor(); // 如果“当前线程”是CLH队列的表头,则尝试获取共享锁。 if (p == head) { int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC if (interrupted) selfInterrupt(); failed = false; return; } } // 如果“当前线程”不是CLH队列的表头,则通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否需要等待, // 需要的话,则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。若阻塞等待过程中,线程被中断过,则设置interrupted为true。 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); }}
private void doAcquireShared(int arg) {
// addWaiter(Node.SHARED)的作用是,创建“当前线程”对应的节点,并将该线程添加到CLH队列中。
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取“node”的前一节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果“当前线程”是CLH队列的表头,则尝试获取共享锁。
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 如果“当前线程”不是CLH队列的表头,则通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否需要等待,
// 需要的话,则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。若阻塞等待过程中,线程被中断过,则设置interrupted为true。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
说明:doAcquireShared()的作用是获取共享锁。
它会首先创建线程对应的CLH队列的节点,然后将该节点添加到CLH队列中。CLH队列是管理获取锁的等待线程的队列。
如果“当前线程”是CLH队列的表头,则尝试获取共享锁;否则,则需要通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否阻塞等待,需要的话,则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。
doAcquireShared()会通过for循环,不断的进行上面的操作;目的就是获取共享锁。需要注意的是:doAcquireShared()在每一次尝试获取锁时,是通过tryAcquireShared()来执行的!
shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt()等函数已经在“Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁(一) ”中详细介绍过,这里就不再重复说明了。
4. 释放共享锁
释放共享锁的思想,是先通过tryReleaseShared()尝试释放共享锁。尝试成功的话,则通过doReleaseShared()唤醒“其他等待获取共享锁的线程”,并返回true;否则的话,返回flase。
4.1 unlock()
public void unlock() { sync.releaseShared(1);}
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
说明:该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。
4.2 releaseShared()
releaseShared()在AQS中实现,源码如下:
public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false;}
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
说明:releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功,则直接返回;尝试失败,则通过doReleaseShared()去释放共享锁。
4.3 tryReleaseShared()
tryReleaseShared()定义在ReentrantReadWriteLock中,源码如下:
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) { // 获取当前线程,即释放共享锁的线程。 Thread current = Thread.currentThread(); // 如果想要释放锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程, // 并且“第1个获取锁的线程获取锁的次数”=1,则设置firstReader为null; // 否则,将“第1个获取锁的线程的获取次数”-1。 if (firstReader == current) { // assert firstReaderHoldCount > 0; if (firstReaderHoldCount == 1) firstReader = null; else firstReaderHoldCount--; // 获取rh对象,并更新“当前线程获取锁的信息”。 } else { HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) rh = readHolds.get(); int count = rh.count; if (count <= 1) { readHolds.remove(); if (count <= 0) throw unmatchedUnlockException(); } --rh.count; } for (;;) { // 获取锁的状态 int c = getState(); // 将锁的获取次数-1。 int nextc = c - SHARED_UNIT; // 通过CAS更新锁的状态。 if (compareAndSetState(c, nextc)) return nextc == 0; }}
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
// 获取当前线程,即释放共享锁的线程。
Thread current = Thread.currentThread();
// 如果想要释放锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程,
// 并且“第1个获取锁的线程获取锁的次数”=1,则设置firstReader为null;
// 否则,将“第1个获取锁的线程的获取次数”-1。
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--;
// 获取rh对象,并更新“当前线程获取锁的信息”。
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
rh = readHolds.get();
int count = rh.count;
if (count <= 1) {
readHolds.remove();
if (count <= 0)
throw unmatchedUnlockException();
}
--rh.count;
}
for (;;) {
// 获取锁的状态
int c = getState();
// 将锁的获取次数-1。
int nextc = c - SHARED_UNIT;
// 通过CAS更新锁的状态。
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
说明:tryReleaseShared()的作用是尝试释放共享锁。
4.4 doReleaseShared()
doReleaseShared()定义在AQS中,源码如下:
private void doReleaseShared() { for (;;) { // 获取CLH队列的头节点 Node h = head; // 如果头节点不为null,并且头节点不等于tail节点。 if (h != null && h != tail) { // 获取头节点对应的线程的状态 int ws = h.waitStatus; // 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态,则意味着“头节点的下一个节点所对应的线程”需要被unpark唤醒。 if (ws == Node.SIGNAL) { // 设置“头节点对应的线程状态”为空状态。失败的话,则继续循环。 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; // 唤醒“头节点的下一个节点所对应的线程”。 unparkSuccessor(h); } // 如果头节点对应的线程是空状态,则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态。 else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; // loop on failed CAS } // 如果头节点发生变化,则继续循环。否则,退出循环。 if (h == head) // loop if head changed break; }}
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
// 获取CLH队列的头节点
Node h = head;
// 如果头节点不为null,并且头节点不等于tail节点。
if (h != null && h != tail) {
// 获取头节点对应的线程的状态
int ws = h.waitStatus;
// 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态,则意味着“头节点的下一个节点所对应的线程”需要被unpark唤醒。
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 设置“头节点对应的线程状态”为空状态。失败的话,则继续循环。
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
// 唤醒“头节点的下一个节点所对应的线程”。
unparkSuccessor(h);
}
// 如果头节点对应的线程是空状态,则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态。
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
// 如果头节点发生变化,则继续循环。否则,退出循环。
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
说明:doReleaseShared()会释放“共享锁”。它会从前往后的遍历CLH队列,依次“唤醒”然后“执行”队列中每个节点对应的线程;最终的目的是让这些线程释放它们所持有的锁。
5. 公平共享锁和非公平共享锁
和互斥锁ReentrantLock一样,ReadLock也分为公平锁和非公平锁。
公平锁和非公平锁的区别,体现在判断是否需要阻塞的函数readerShouldBlock()是不同的。
公平锁的readerShouldBlock()的源码如下:
final boolean readerShouldBlock() { return hasQueuedPredecessors();}
final boolean readerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
在公平共享锁中,如果在当前线程的前面有其他线程在等待获取共享锁,则返回true;否则,返回false。
非公平锁的readerShouldBlock()的源码如下:
final boolean readerShouldBlock() { return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();}
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
在非公平共享锁中,它会无视当前线程的前面是否有其他线程在等待获取共享锁。只要该非公平共享锁对应的线程不为null,则返回true。
6. ReentrantReadWriteLock示例
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; public class ReadWriteLockTest1 { public static void main(String[] args) { // 创建账户 MyCount myCount = new MyCount("4238920615242830", 10000); // 创建用户,并指定账户 User user = new User("Tommy", myCount); // 分别启动3个“读取账户金钱”的线程 和 3个“设置账户金钱”的线程 for (int i=0; i<3; i++) { user.getCash(); user.setCash((i+1)*1000); } } } class User { private String name; //用户名 private MyCount myCount; //所要操作的账户 private ReadWriteLock myLock; //执行操作所需的锁对象 User(String name, MyCount myCount) { this.name = name; this.myCount = myCount; this.myLock = new ReentrantReadWriteLock(); } public void getCash() { new Thread() { public void run() { myLock.readLock().lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash start"); myCount.getCash(); Thread.sleep(1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash end"); } catch (InterruptedException e) { } finally { myLock.readLock().unlock(); } } }.start(); } public void setCash(final int cash) { new Thread() { public void run() { myLock.writeLock().lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash start"); myCount.setCash(cash); Thread.sleep(1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash end"); } catch (InterruptedException e) { } finally { myLock.writeLock().unlock(); } } }.start(); }}class MyCount { private String id; //账号 private int cash; //账户余额 MyCount(String id, int cash) { this.id = id; this.cash = cash; } public String getId() { return id; } public void setId(String id) { this.id = id; } public int getCash() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash cash="+ cash); return cash; } public void setCash(int cash) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash cash="+ cash); this.cash = cash; } }
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReadWriteLockTest1 {
public static void main(String[] args) {
// 创建账户
MyCount myCount = new MyCount("4238920615242830", 10000);
// 创建用户,并指定账户
User user = new User("Tommy", myCount);
// 分别启动3个“读取账户金钱”的线程 和 3个“设置账户金钱”的线程
for (int i=0; i<3; i++) {
user.getCash();
user.setCash((i+1)*1000);
}
}
}
class User {
private String name; //用户名
private MyCount myCount; //所要操作的账户
private ReadWriteLock myLock; //执行操作所需的锁对象
User(String name, MyCount myCount) {
this.name = name;
this.myCount = myCount;
this.myLock = new ReentrantReadWriteLock();
}
public void getCash() {
new Thread() {
public void run() {
myLock.readLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash start");
myCount.getCash();
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash end");
} catch (InterruptedException e) {
} finally {
myLock.readLock().unlock();
}
}
}.start();
}
public void setCash(final int cash) {
new Thread() {
public void run() {
myLock.writeLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash start");
myCount.setCash(cash);
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash end");
} catch (InterruptedException e) {
} finally {
myLock.writeLock().unlock();
}
}
}.start();
}
}
class MyCount {
private String id; //账号
private int cash; //账户余额
MyCount(String id, int cash) {
this.id = id;
this.cash = cash;
}
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
public int getCash() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash cash="+ cash);
return cash;
}
public void setCash(int cash) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash cash="+ cash);
this.cash = cash;
}
}
运行结果:
Thread-0 getCash startThread-2 getCash startThread-0 getCash cash=10000Thread-2 getCash cash=10000Thread-0 getCash endThread-2 getCash endThread-1 setCash startThread-1 setCash cash=1000Thread-1 setCash endThread-3 setCash startThread-3 setCash cash=2000Thread-3 setCash endThread-4 getCash startThread-4 getCash cash=2000Thread-4 getCash endThread-5 setCash startThread-5 setCash cash=3000Thread-5 setCash end
结果说明:
(01) 观察Thread0和Thread-2的运行结果,我们发现,Thread-0启动并获取到“读取锁”,在它还没运行完毕的时候,Thread-2也启动了并且也成功获取到“读取锁”。
因此,“读取锁”支持被多个线程同时获取。
(02) 观察Thread-1,Thread-3,Thread-5这三个“写入锁”的线程。只要“写入锁”被某线程获取,则该线程运行完毕了,才释放该锁。
因此,“写入锁”不支持被多个线程同时获取。
CountDownLatch
1. CountDownLatch简介
CountDownLatch是一个同步辅助类,在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一个或多个线程一直等待。
CountDownLatch和CyclicBarrier的区别
(01) CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行;而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待。
(02) CountDownLatch的计数器无法被重置;CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用,因此它被称为是循环的barrier。
关于CyclicBarrier的原理,后面一章再来学习。
CountDownLatch函数列表
CountDownLatch(int count)构造一个用给定计数初始化的 CountDownLatch。// 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待,除非线程被中断。void await()// 使当前线程在锁存器倒计数至零之前一直等待,除非线程被中断或超出了指定的等待时间。boolean await(long timeout, TimeUnit unit)// 递减锁存器的计数,如果计数到达零,则释放所有等待的线程。void countDown()// 返回当前计数。long getCount()// 返回标识此锁存器及其状态的字符串。String toString()
2. CountDownLatch数据结构
CountDownLatch的UML类图如下:
CountDownLatch的数据结构很简单,它是通过"共享锁"实现的。它包含了sync对象,sync是Sync类型。Sync是实例类,它继承于AQS。
3. CountDownLatch源码分析(基于JDK1.7.0_40)
CountDownLatch是通过“共享锁”实现的。下面,我们分析CountDownLatch中3个核心函数: CountDownLatch(int count), await(), countDown()。
3.1 CountDownLatch(int count)
public CountDownLatch(int count) { if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0"); this.sync = new Sync(count);}
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
说明:该函数是创建一个Sync对象,而Sync是继承于AQS类。Sync构造函数如下:
Sync(int count) { setState(count);}
Sync(int count) {
setState(count);
}
setState()在AQS中实现,源码如下:
protected final void setState(long newState) { state = newState;}
protected final void setState(long newState) {
state = newState;
}
说明:在AQS中,state是一个private volatile long类型的对象。对于CountDownLatch而言,state表示的”锁计数器“。CountDownLatch中的getCount()最终是调用AQS中的getState(),返回的state对象,即”锁计数器“。
3.2 await()
public void await() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1);}
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
说明:该函数实际上是调用的AQS的acquireSharedInterruptibly(1);
AQS中的acquireSharedInterruptibly()的源码如下:
public final void acquireSharedInterruptibly(long arg) throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireSharedInterruptibly(arg);}
public final void acquireSharedInterruptibly(long arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
说明:acquireSharedInterruptibly()的作用是获取共享锁。
如果当前线程是中断状态,则抛出异常InterruptedException。否则,调用tryAcquireShared(arg)尝试获取共享锁;尝试成功则返回,否则就调用doAcquireSharedInterruptibly()。doAcquireSharedInterruptibly()会使当前线程一直等待,直到当前线程获取到共享锁(或被中断)才返回。
tryAcquireShared()在CountDownLatch.java中被重写,它的源码如下:
protected int tryAcquireShared(int acquires) { return (getState() == 0) ? 1 : -1;}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
说明:tryAcquireShared()的作用是尝试获取共享锁。
如果"锁计数器=0",即锁是可获取状态,则返回1;否则,锁是不可获取状态,则返回-1。
private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg) throws InterruptedException { // 创建"当前线程"的Node节点,且Node中记录的锁是"共享锁"类型;并将该节点添加到CLH队列末尾。 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { for (;;) { // 获取上一个节点。 // 如果上一节点是CLH队列的表头,则"尝试获取共享锁"。 final Node p = node.predecessor(); if (p == head) { long r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC failed = false; return; } } // (上一节点不是CLH队列的表头) 当前线程一直等待,直到获取到共享锁。 // 如果线程在等待过程中被中断过,则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) throw new InterruptedException(); } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); }}
private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg)
throws InterruptedException {
// 创建"当前线程"的Node节点,且Node中记录的锁是"共享锁"类型;并将该节点添加到CLH队列末尾。
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
// 获取上一个节点。
// 如果上一节点是CLH队列的表头,则"尝试获取共享锁"。
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
long r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// (上一节点不是CLH队列的表头) 当前线程一直等待,直到获取到共享锁。
// 如果线程在等待过程中被中断过,则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
说明:
(01) addWaiter(Node.SHARED)的作用是,创建”当前线程“的Node节点,且Node中记录的锁的类型是”共享锁“(Node.SHARED);并将该节点添加到CLH队列末尾。关于Node和CLH在"Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁(一)"已经详细介绍过,这里就不再重复说明了。
(02) node.predecessor()的作用是,获取上一个节点。如果上一节点是CLH队列的表头,则”尝试获取共享锁“。
(03) shouldParkAfterFailedAcquire()的作用和它的名称一样,如果在尝试获取锁失败之后,线程应该等待,则返回true;否则,返回false。
(04) 当shouldParkAfterFailedAcquire()返回ture时,则调用parkAndCheckInterrupt(),当前线程会进入等待状态,直到获取到共享锁才继续运行。
doAcquireSharedInterruptibly()中的shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt等函数在"Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁(一)"中介绍过,这里也就不再详细说明了。
3.3 countDown()
public void countDown() { sync.releaseShared(1);}
说明:该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。
releaseShared()在AQS中实现,源码如下:
public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false;}
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
说明:releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功,则直接返回;尝试失败,则通过doReleaseShared()去释放共享锁。
tryReleaseShared()在CountDownLatch.java中被重写,源码如下:
protected boolean tryReleaseShared(int releases) { // Decrement count; signal when transition to zero for (;;) { // 获取“锁计数器”的状态 int c = getState(); if (c == 0) return false; // “锁计数器”-1 int nextc = c-1; // 通过CAS函数进行赋值。 if (compareAndSetState(c, nextc)) return nextc == 0; }}
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
// 获取“锁计数器”的状态
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
// “锁计数器”-1
int nextc = c-1;
// 通过CAS函数进行赋值。
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
说明:tryReleaseShared()的作用是释放共享锁,将“锁计数器”的值-1。
总结:CountDownLatch是通过“共享锁”实现的。在创建CountDownLatch中时,会传递一个int类型参数count,该参数是“锁计数器”的初始状态,表示该“共享锁”最多能被count给线程同时获取。当某线程调用该CountDownLatch对象的await()方法时,该线程会等待“共享锁”可用时,才能获取“共享锁”进而继续运行。而“共享锁”可用的条件,就是“锁计数器”的值为0!而“锁计数器”的初始值为count,每当一个线程调用该CountDownLatch对象的countDown()方法时,才将“锁计数器”-1;通过这种方式,必须有count个线程调用countDown()之后,“锁计数器”才为0,而前面提到的等待线程才能继续运行!
以上,就是CountDownLatch的实现原理。
4. CountDownLatch的使用示例
下面通过CountDownLatch实现:"主线程"等待"5个子线程"全部都完成"指定的工作(休眠1000ms)"之后,再继续运行。
import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CountDownLatchTest1 { private static int LATCH_SIZE = 5; private static CountDownLatch doneSignal; public static void main(String[] args) { try { doneSignal = new CountDownLatch(LATCH_SIZE); // 新建5个任务 for(int i=0; i new InnerThread().start(); System.out.println("main await begin."); // "主线程"等待线程池中5个任务的完成 doneSignal.await(); System.out.println("main await finished."); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } static class InnerThread extends Thread{ public void run() { try { Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 1000ms."); // 将CountDownLatch的数值减1 doneSignal.countDown(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }}
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class CountDownLatchTest1 {
private static int LATCH_SIZE = 5;
private static CountDownLatch doneSignal;
public static void main(String[] args) {
try {
doneSignal = new CountDownLatch(LATCH_SIZE);
// 新建5个任务
for(int i=0; i
new InnerThread().start();
System.out.println("main await begin.");
// "主线程"等待线程池中5个任务的完成
doneSignal.await();
System.out.println("main await finished.");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static class InnerThread extends Thread{
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 1000ms.");
// 将CountDownLatch的数值减1
doneSignal.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
运行结果:
main await begin.Thread-0 sleep 1000ms.Thread-2 sleep 1000ms.Thread-1 sleep 1000ms.Thread-4 sleep 1000ms.Thread-3 sleep 1000ms.main await finished.
main await begin.
Thread-0 sleep 1000ms.
Thread-2 sleep 1000ms.
Thread-1 sleep 1000ms.
Thread-4 sleep 1000ms.
Thread-3 sleep 1000ms.
main await finished.
结果说明:主线程通过doneSignal.await()等待其它线程将doneSignal递减至0。其它的5个InnerThread线程,每一个都通过doneSignal.countDown()将doneSignal的值减1;当doneSignal为0时,main被唤醒后继续执行。