JAVA REENTRANTLOCK、SEMAPHORE 的实现与 AQS 框架

 

引言

ReentrantLock是JDK提供的一个可重入互斥锁，所谓可重入就是同一个锁允许被已经获得该锁的线程重新获得。可重入锁的好处可以在递归算法中使用锁，不可重入锁则导致无法在递归算法中使用锁。因为第二次递归时由于第一次递归已经占有锁，而导致死锁。本文我们将探讨JDK中ReentrantLock的实现。

Semaphore是JDK提供的一个可共享的同步组建，有n个许可，多个线程可以共同去获得许可，当线程申请的许可小于n时即可成功申请，否则申请失败。

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java实现同步组建的基础框架，一般以静态内部类的形式实现在某个同步组件类中，通过代理的方式向外提供同步服务，ReentrantLock和Semaphore都是基于AQS实现的同步组件，前者是独占式同步组建，即一个线程获得后，其他线程无法获得。后者是共享式同步组件，一个线程获得后，在满足的条件下，其他线程也可以获得。

AQS工作原理

AQS是Java实现同步组建的基础框架，其基本思想是用一个volatile int state变量来表示当前同步组件的状态，用getState()获取同步组件的状态，用compareAndSet(int expect, int update)来对state状态进行操作，compareAndSet可以保证对state变量更新值的原子性。AQS中很多方法是final的，即不允许用户覆盖，用户自定义的方法一般有：

• tryAcquire: 独占式获取同步状态，该函数一般首先查询state的值，如果state不允许继续被获取，直接返回false。如果state允许继续被获取，CAS尝试更新state的值，成功返回true，失败返回false
• tryAcquireShared：共享式的获取同步状态，该一般是在CAS死循环获取state的值，计算state被获取后的值，如果该值为负数，直接返回负数表示失败，如果该值为正值，则用CAS更新该值，当CAS更新失败时，重复上述步骤，直至返回负数或CAS更新成功返回正值。
• tryRelease：独占式的释放同步状态
• tryReleaseShared：共享式的释放同步状态，一般在CAS死循环中反复尝试，直至释放成功
• isHeldExclusively：判断当前同步器是否被当前线程占有

AQS提供的模板方法有：

• acquire:独占式的获取同步状态，获取成功则返回，获取失败则会进入等待队列，该方法会调用用户自定义的tryAcquire函数
• acquireInterruptibly：与acquire类似，不同在于当进入等待队列时，遇到中断会抛出InterruptedException异常，用户可以处理该中断异常
• tryAcquireNanos：在acquireInterruptibly的基础上增加了时间限制，一定时间内没有成功获取则返回false
• acquireShared：共享式的获取同步状态，成功则返回，失败则进入等待队列，该方法会调用用户自定义的tryAcquired函数
• acquireSharedInterruptibly：在等待队列可以相应中断，与上类似
• tryAcquireShared：在acquireSharedInterruptibly增加了超时限制
• release：独占式的释放同步状态，会调用用户自定义tryRelease函数
• releaseShared：共享式的释放同步状态，会调用用户自定义tryReleaseShared函数
• getQueuedThreads：获取等待队列线程集合

ReentrantLock源码分析

ReentrantLock的默认构造函数是

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public ReentrantLock() {         sync = new NonfairSync(); }

NonfairSync继承了Sync，Sync是一个抽象类，并继承了抽象类AbstractQueuedSynchronizer。
ReentrantLock是一个独占式的锁，所以它需要实现tryAcquire函数和tryRelease函数

tryAcquire函数源码如下

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

nonfairTryAcquire(acquires)源码如下

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final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {         final Thread current = Thread.currentThread();         int c = getState();         if (c == 0) {             if (compareAndSetState(0, acquires)) {                 setExclusiveOwnerThread(current);                 return true;             }         }         else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {             int nextc = c + acquires;             if (nextc < 0) // overflow                 throw new Error("Maximum lock count exceeded");             setState(nextc);             return true;         }         return false; }

• 先得到当前线程
• 查询当前state值，如果为0则说明当前锁还未被其他线程获取，则尝试CAS获得锁，成功则把占有锁的线程设置为当前线程，返回true。失败返回false。
• 如果state不为0则说明该锁已经被其他线程获取，则检查获得锁的线程是否是当前线程以实现可重入特性，如果是，则更新state的值，并返回true。此处更新不需要CAS，因为只有当前线程可以操作state。
• 其他情况返回false

tryRelease函数源码如下

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protected final boolean tryRelease(int releases) {         int c = getState() - releases;         if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())             throw new IllegalMonitorStateException();         boolean free = false;         if (c == 0) {             free = true;             setExclusiveOwnerThread(null);         }         setState(c);         return free; }

• 首先得到释放之后的状态值c
• 检查当前释放锁的线程，如果不是已占有锁的线程则抛出异常，因为ReentrantLock是独占式锁，释放锁的线程一定是占有锁的线程
• 如果c是等于0的，说明获取锁的所有函数都已经返回，则锁释放成功
• 如果c不等于0，说明只是部分递归的函数返回，部分递归函数还未返回，则释放失败，锁依然被占有

Lock函数源码

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public void lock() {     sync.lock(); }

sunc的lock函数

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final void lock() {         if (compareAndSetState(0, 1))             setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());         else             acquire(1);  }

该函数首先直接尝试CAS操作，成功则设置当前函数为占有锁的函数，返回，失败则调用acquire函数。acquire函数为AQS实现的模板方法，它尝试获得锁，成功则返回，不成功则进入等待队列直至获取成功。

unLock函数源码

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

调用tryRelease函数释放锁。

Semaphore的源码

Semaphore构造函数如下：

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public Semaphore(int permits) {     sync = new NonfairSync(permits); }

与ReentrantLock代码结构非常相似。Semaphore是一个共享式的同步组建，它应该实现tryAcquireShared和tryReleaseShared

tryAcquireShared函数源码：

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protected int tryAcquireShared(int acquires) {         return nonfairTryAcquireShared(acquires); }

nonfairTryAcquireShared源码：

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final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {         for (;;) {             int available = getState();             int remaining = available - acquires;             if (remaining < 0 ||                 compareAndSetState(available, remaining))                 return remaining;         } }

• 函数首先取得当前的可用许可数，并计算被获取acquires个许可后剩余的许可数。
• 如果剩余的许可数小于0直接返回剩余的许可数，即负值
• 如果大于0则尝试使用CAS循环更新state的值，更新失败则重试上述步骤，直至返回负值更新失败，或者返回非负值更新成功。

tips：与独占式的tryAcquire逻辑不太一样，独占式的tryAcquire在CAS操作失败后，直接返回失败。本人觉得共享式的tryAcquiredShared在CAS操作失败后，因为组件是共享的，所以再次尝试获取同步组件成功的可能性较大，所以在CAS失败后，尝试再次更新。而独占式的CAS更新失败后，组件已经被其他线程获取，再次尝试成功的可能性较小，所以没有重新尝试。纯属个人观点。

tryReleasedShared源码

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protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {         for (;;) {             int current = getState();             int next = current + releases;             if (next < current) // overflow                 throw new Error("Maximum permit count exceeded");             if (compareAndSetState(current, next))                 return true;         } }

• 函数计算释放后的state值并验证是否溢出
• CAS更新state的值直至成功

acquire函数源码

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public void acquire() throws InterruptedException {     sync.acquireSharedInterruptibly(1); }

acquireSharedInterruptibly为AQS提供的模板方法，调用了tryAcquireShared，成功直接返回，不成功加入等待队列，并添加了处理中断的机制

release函数源码

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

releaseShared为AQS提供的模板方法，调用了tryReleaseShared

总结

完整的ReentrantLock和Semaphore实现非常复杂，本文旨在介绍AQS框架，并通过ReentrantLock和Semaphore一个独占式的同步组件和一个非独占式的同步组件来学习怎么使用AQS实现通组件，具体来说分为以下步骤：

• 待实现的同步组件是独占式的还是共享式的
• 独占式的同步组件实现tryAcquire和tryRelease，非独占式的实现tryAcquireShared和tryReleaseShared
• 将我们实现的同步组建相应的方法如Lock和unLock代理到AQS对应的函数包括用户自定义的函数和AQS提供的模板函数

AQS的方便之处在于我们只需要实现tryAcquire和tryRelease或tryAcquireShared和tryReleaseShared就可以使用AQS帮我们实现好的阻塞的acquire函数，可中断的acquire函数，带超时的acquire函数等模板函数，大大简化了用户的开发量和难度。