嗯！這篇多執行緒不錯！伍
阿新 • • 發佈：2020-12-10
### 開篇閒扯
前面幾篇寫了有關Java物件的記憶體佈局、Java的記憶體模型、多執行緒鎖的分類、Synchronized、Volatile、以及併發場景下出現問題的三大罪魁禍首。看起來寫了五篇文章，實際上也僅僅是寫了個皮毛，用來應付應付部分公司“八股文”式的面試還行，但是在真正的在實際開發中會遇到各種稀奇古怪的問題。這時候就要通過線上的一些監測手段，獲取系統的執行日誌進行分析後再對症下藥，比如JDK的jstack、jmap、命令列工具vmstat、JMeter等等，一定要在合理的分析基礎上優化，否則可能就是系統小“感冒”，結果做了個闌尾炎手術。
又扯遠了，老樣子，還是先說一下本文主要講點啥，然後再一點點解釋。本文主要講併發包JUC中的三個類：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock和StampedLock以及AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的一些基本概念。
先來個腦圖：
### Lock介面
```
public interface Lock {
//加鎖操作，加鎖失敗就進入阻塞狀態並等待鎖釋放
void lock();
//與lock()方法一直，只是該方法允許阻塞的執行緒中斷
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
//非阻塞獲取鎖
boolean tryLock();
//帶引數的非阻塞獲取鎖
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//統一的解鎖方法
void unlock();
}
```
上面的原始碼展示了作為頂層介面Lock定義的一些基礎方法。
lock只是個顯示的加鎖介面，對應不同的實現類，可以供開發人員進行自定義擴充套件。比如一些定時的可輪詢的獲取鎖模式，公平鎖與非公平鎖，讀寫鎖，以及可重入鎖等，都能夠很輕鬆的實現。Lock的鎖是基於Java程式碼實現的，加解鎖都是通過lock()和unlock()方法實現的。從效能上來說，Synchronized的效能（吞吐量）以及穩定性是略差於Lock鎖的。但是，在Doug Lee參與編寫的《Java併發程式設計實踐》一書中又特別強調了，如果不是對Lock鎖中提供的高階特性有絕對的依賴，建議還是使用Synchronized來作為併發同步的工具。因為它更簡潔易用，不會因為在使用Lock介面時忘記在Finally中解鎖而出bug。說到底，還是為了降低程式設計門檻，讓Java語言更加好用。
其實常見的幾個實現類有：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock
接下來將詳細講解一下。
#### ReentrantLock
先簡單舉個使用的例子：
```
/**
* FileName: TestLock
* Author: RollerRunning
* Date: 2020/12/7 9:34 PM
* Description:
*/
public class TestLock {
private static int count=0;
private static Lock lock=new ReentrantLock();
public static void add(){
// 加鎖
lock.lock();
try {
count++;
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
//在finally中解鎖，加解鎖必須成對出現
lock.unlock();
}
}
}
```
ReentrantLock只支援獨佔式的獲取公平鎖或者是非公平鎖（都是基於Sync內部類實現，而Sync又繼承自AQS），在它的內部類Sync繼承了AbstractQueuedSynchronizer，並同時實現了tryAcquire()、tryRelease()和isHeldExclusively()方法等。同時，在ReentrantLock中還有其他兩個內部類，一個是實現了公平鎖一個實現了非公平鎖，下面是ReentrantLock的部分原始碼：
```
/**
* 非公平鎖
*/
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
/**
* 公平鎖
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
//加鎖時呼叫
final void lock() {
acquire(1);
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//獲取當前執行緒
final Thread current = Thread.currentThread();
//獲取父類 AQS 中的int型state
int c = getState();
//判斷鎖是否被佔用
if (c == 0) {
//這個if判斷中，先判斷佇列是否為空，如果為空則說明鎖可以正常獲取，然後進行CAS操作並修改state標誌位的資訊
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//CAS操作成功，設定AQS中變數exclusiveOwnerThread的值為當前執行緒，表示獲取鎖成功
setExclusiveOwnerThread(current);
//返回獲取鎖成功
return true;
}
}
//而當state的值不為0時，說明鎖已經被拿走了，此時判斷鎖是不是自己拿走的，因為他是個可重入鎖。
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//如果是當前執行緒在佔用鎖，則再次獲取鎖，並修改state的值
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
//當標誌位不為0，且佔用鎖的執行緒也不是自己時，返回獲取鎖失敗
return false;
}
}
/**
* AQS中排隊的方法
*/
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);
}
}
```
上面是以公平鎖為例對原始碼進行了簡單的註釋，可以根據這個思路，看一看非公平鎖的原始碼實現，再關閉原始碼試著畫一下整個流程圖，瞭解其內部實現的真諦。我先畫為敬了：
這裡涵蓋了ReentrantLock的加鎖基本流程，觀眾老爺是不是可以試著畫一下解鎖的流程，還有就是這個例子是**獨佔式公平鎖**，獨佔式非公平鎖的總體流程大差不差，這裡就不贅述了。
#### ReentrantReadWriteLock
一個簡單的使用示例，大家可以自己執行感受一下：
```
/**
* FileName: ReentrantReadWriteLockTest
* Author: RollerRunning
* Date: 2020/12/8 6:48 PM
* Description: ReentrantReadWriteLock的簡單使用示例
*/
public class ReentrantReadWriteLockTest {
private static ReentrantReadWriteLock READWRITELOCK = new ReentrantReadWriteLock();
//獲得讀鎖
private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock READLOCK = READWRITELOCK.readLock();
//獲得寫鎖
private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock WRITELOCK = READWRITELOCK.writeLock();
public static void main(String[] args) {
ReentrantReadWriteLockTest lock = new ReentrantReadWriteLockTest();
//分別啟動兩個讀執行緒和一個寫執行緒
Thread readThread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
lock.read();
}
},"read1");
Thread readThread2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
lock.read();
}
},"read2");
Thread writeThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
lock.write();
}
},"write");
readThread1.start();
readThread2.start();
writeThread.start();
}
public void read() {
READLOCK.lock();
try {
System.out.println("執行緒 " + Thread.currentThread().getName() + " 獲取讀鎖。。。");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("執行緒 " + Thread.currentThread().getName() + " 釋放讀鎖。。。");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
READLOCK.unlock();
}
}
public void write() {
WRITELOCK.lock();
try {
System.out.println("執行緒 " + Thread.currentThread().getName() + " 獲取寫鎖。。。");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("執行緒 " + Thread.currentThread().getName() + " 釋放寫鎖。。。");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
WRITELOCK.unlock();
}
}
}
```
前面說了ReentrantLock是一個獨佔鎖，即不論執行緒對資料執行讀還是寫操作，同一時刻只允許一個執行緒持有鎖。但是在一些讀多寫少的場景下，這種不分青紅皁白就無腦加鎖對的做法不夠極客也很影響效率。因此，基於ReentrantLock優化而來的ReentrantReadWriteLock就出現了。這種鎖的思想是“讀寫鎖分離”，多個執行緒可以同時持有讀鎖，但是不允許多個執行緒持有相同寫鎖或者同時持有讀寫鎖。關鍵原始碼解讀：
```
//加共享鎖
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
//獲取當前加鎖的執行緒
Thread current = Thread.currentThread();
//獲取鎖狀態資訊
int c = getState();
//判斷當前鎖是否可用，並判斷當前執行緒是否獨佔資源
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
//獲取讀鎖的數量
int r = sharedCount(c);
//這裡做了三個判斷：是否阻塞即是否為公平鎖、持有該共享鎖的執行緒是否超過最大值、CAS加共享讀鎖是否成功
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
//當前執行緒為第一個加讀鎖的，並設定持有鎖執行緒數量
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
//當前表示為重入鎖
firstReaderHoldCount++;
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
//獲取當前執行緒的計數器
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
//新增到readHolds中，這裡是基於ThreadLocal實現的，每個執行緒都有自己的readHolds用於記錄自己重入的次數
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
return 1;
}
return fullTryAcquireShared(current);
}
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
HoldCounter rh = null;
for (;;) {
int c = getState();
if (exclusiveCount(c) != 0) {
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// else we hold the exclusive lock; blocking here
// would cause deadlock.
} else if (readerShouldBlock()) {
// Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
} else {
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh; // cache for release
}
return 1;
}
}
}
```
在ReentrantReadWriteLock中，也是基於AQS來實現的，在它的內部使用了一個int型（4位元組32位）的stat來表示讀寫鎖，其中高16位表示讀鎖，低16位表示寫鎖，而對於讀寫鎖的判斷通常是對int值以及高低16位進行判斷。接下來用一張圖展示一下獲取共享的讀鎖過程：
至此，分別展示了獲取**ReentrantLock獨佔鎖**和**ReentrantReadWriteLock共享讀鎖**的過程，希望能夠幫助大家跟面試官PK。
總結一下前面說的兩種鎖：
當執行緒持有讀鎖時，那麼就不能再獲取寫鎖。當A執行緒在獲取寫鎖的時候，如果當前讀鎖被佔用，立即返回失敗失敗。
當執行緒持有寫鎖時，該執行緒是可以繼續獲取讀鎖的。當A執行緒獲取讀鎖時如果發現寫鎖被佔用，判斷當前寫鎖持有者是不是自己，如果是自己就可以繼續獲取讀鎖，否則返回失敗。
#### StampedLock
StampedLock其實是對ReentrantReadWriteLock進行了進一步的升級，試想一下，當有很多讀執行緒，但是隻有一個寫執行緒，最糟糕的情況是寫執行緒一直競爭不到鎖，寫執行緒就會一直處於等待狀態，也就是執行緒飢餓問題。StampedLock的內部實現也是基於佇列和state狀態實現的，但是它引入了stamp(標記)的概念，因此在獲取鎖時會返回一個唯一標識stamp作為當前鎖的版本，而在釋放鎖時，需要傳遞這個stamp作為標識來解鎖。
從概念上來說StampedLock比RRW多引入了一種樂觀鎖的思想，從使用層面來說，加鎖生成stamp，解鎖需要傳同樣的stamp作為引數。
最後貼一張我整理的這部分腦圖：
最後，感謝各位觀眾老爺，還請三連！！！
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