ReentrantLock可重入、可打断、锁超时实现原理

简介: ReentrantLock可重入、可打断、锁超时实现原理

概述


前面讲解了ReentrantLock加锁和解锁的原理实现,但是没有阐述它的可重入、可打断以及超时获取锁失败的原理,本文就重点讲解这三种情况。建议大家先看下这篇文章了解下ReentrantLock加锁的基本原理,图解ReentrantLock公平锁和非公平锁实现。


可重入


可重入是指一个线程如果获取了锁,那么它就是锁的主人,那么它可以再次获取这把锁,这种就是理解为重入,简而言之,可以重复获取同一把锁,不会造成阻塞,举个例子如下:

@Test
    public void testRepeatLock() {
        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
        // 第一次获取锁
        reentrantLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " first get lock");
            // 再次获取锁
            tryAgainLock(reentrantLock);
        }finally {
            reentrantLock.unlock();
        }
    }
    public void tryAgainLock(ReentrantLock reentrantLock) {
        // 第2次获取锁
        reentrantLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " second get lock");
        }finally {
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

1671193663543.jpg

  • 同一个线程使用ReentrantLock多次获取锁,不会阻塞
  • 申请几把锁,最后需要解除几把锁

那你知道是怎么实现的吗?

概述的文章中已经讲解了ReentrantLock整个的加锁和解锁的过程,可重入实现就在其中,这里着重关注下申请锁的方法tryAcquire,最终会调用nonfairTryAcquire方法。

1671193672188.jpg

  1. 如果已经有线程获得了锁, 并且占用锁的线程是当前线程, 表示【发生了锁重入】,上图的1步骤
  2. 计算出冲入的次数nextc等于当前次数+新增次数,acquires等于1
  3. 更新 state 的值,这里不使用 cas 是因为当前线程正在持有锁,所以这里的操作相当于在一个管程内, 然后返回ture,表明再次申请锁成功。


可打断


ReentrantLock相比于synchronized加锁一大优势是可打断,那么什么是可打断呢?ReentrantLock通过lockInterruptibly()加锁,如果一直获取不到锁,可以通过调用线程的interrupt()提前终止线程。举个例子:

@Test
    public void testInterrupt() throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 主线程普通加锁
        System.out.println("主线程优先获取锁");
        lock.lock();
        try {
            // 创建子线程
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println("t1尝试获取打断锁");
                    lock.lockInterruptibly();
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("t1没有获取到锁,被打断,直接返回");
                    return;
                }
                try {
                    System.out.println("t1成功获取锁");
                } finally {
                    System.out.println("t1释放锁");
                    lock.unlock();
                }
            }, "t1");
            t1.start();
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("主线程进行打断锁");
            t1.interrupt();
        } finally {
            // 主线程解锁
            System.out.println("主线程优先释放锁");
            lock.unlock();
        }
    }

1671193689160.jpg

  • 通过lockInterruptibly()方法获取锁期间,可以通过线程的interrupt()方法进行中断,跳出阻塞。
  • 通过lock()方法获取锁,不会响应interrupt()方法的中断。

接下来我们看看它的实现原理。

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {    
    sync.acquireInterruptibly(1);
}
public final void acquireInterruptibly(int arg) {
    // 被其他线程打断了直接返回 false
    if (Thread.interrupted())
    throw new InterruptedException();
    if (!tryAcquire(arg))
        // 没获取到锁,进入这里
        doAcquireInterruptibly(arg);
}
  • 先判断一次线程是否中断了,是的话,直接抛出中断异常。
  • 如果没有获取锁,调用doAcquireInterruptibly()方法。
private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 封装当前线程,加入到队列中
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        // 自旋
        for (;;) {
            // shouldParkAfterFailedAcquire判断是否需要阻塞等待
            // parkAndCheckInterrupt方法是阻塞线程,返回true,表示线程被中断了
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                // 【在 park 过程中如果被 interrupt 会抛出异常】, 而不会再次进入循环获取锁后才完成打断效果
                throw new InterruptedException();
        }    
    } finally {
        // 抛出异常前会进入这里
        if (failed)
            // 取消当前线程的节点
            cancelAcquire(node);
    }
}
  • addWaiter将当前线程封装成节点,加入到队列中。
  • shouldParkAfterFailedAcquire()方法判断如果前一个节点的等待状态时-1,则返回true,表示当前线程需要阻塞。
  • parkAndCheckInterrupt()方法是阻塞线程,返回true,表示线程被中断了,抛出InterruptedException异常。
  • 最后调用cancelAcquire()方法,将当前节点状态设置为cancel取消状态。


锁超时


ReentrantLock还具备锁超时的能力,调用tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法,在给定时间内获取锁,获取不到就退出,这也是synchronized没有的功能。

@Test
    public void testLockTimeout() throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                // 调用tryLock获取锁
                if (!lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println("t1获取不到锁");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("t1被打断,获取不到锁");
                return;
            }
            try {
                System.out.println("t1获取到锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        // 主线程加锁
        lock.lock();
        System.out.println("主线程获取到锁");
        t1.start();
        Thread.sleep(3000);
        try {
            System.out.println("主线程释放了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

那这个原理实现是什么样的呢?

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    // 调用tryAcquireNanos方法
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) {
    if (Thread.interrupted())        
        throw new InterruptedException();    
    // tryAcquire 尝试一次,获取不到的话调用doAcquireNanos方法
    return tryAcquire(arg) || doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {    
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) {    
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    // 获取最后期限的时间戳
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    // 将当前线程添加到队列中
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        // 自旋
        for (;;) {
            // 获取前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 前驱节点是head,尝试获取锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return true;
            }
            // 计算还需等待的时间
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L) //时间已到     
                return false;
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                // 如果 nanosTimeout 大于该值,才有阻塞的意义,否则直接自旋会好点
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            // 【被打断会报异常】
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }    
    }
}
  • 如果nanosTimeout小于0,表示到了指定时间没有获取锁成功,返回false
  • 如果 nanosTimeout 大于spinForTimeoutThreshold,值为1000L,进行阻塞。因为时间太短阻塞没有意义,否则直接自旋会好点。


总结


本文主要从使用到原理讲解了ReentrantLock锁的可重入、可打断和锁超时的特性,希望对大家有帮助。

目录
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