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面经手册 · 第16篇《码农会锁,ReentrantLock之公平锁讲解和实现》

2020-11-06 01:17:28 bugstack虫洞栈

作者:小傅哥
博客:https://bugstack.cn

沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获!

一、前言

Java学多少才能找到工作?

最近经常有小伙伴问我,以为我的经验来看,学多少够,好像更多的是看你的野心有多大。如果你只是想找个10k以内的二线城市的工作,那还是比较容易的。也不需要学数据结构、也不需要会算法、也需要懂源码、更不要有多少项目经验。

但反之我遇到一个国内大学TOP2毕业的娃,这货兼职是Offer收割机:腾讯、阿里、字节还有国外新加坡的工作机会等等,薪资待遇也是贼高,可能超过你对白菜价的认知。上学无用、学习无用,纯属扯淡!

你能在这条路上能付出的越多,能努力的越早,收获就会越大!

二、面试题

谢飞机,小记,刚去冬巴拉泡完脚放松的飞机,因为耐克袜子丢了,骂骂咧咧的赴约面试官。

面试官:咋了,飞机,怎么看上去不高兴。

谢飞机:没事,没事,我心思我学的 synchronized 呢!

面试官:那正好,飞机你会锁吗?

谢飞机:啊。。。我没去会所呀!!!你咋知道

面试官:我说 Java 锁,你想啥呢!你了解公平锁吗,知道怎么实现的吗,给我说说!

谢飞机:公平锁!?嗯,是不 ReentrantLock 中用到了,我怎么感觉似乎有印象,但是不记得了。

面试官:哎,回家搜搜 CLH 吧!

三、ReentrantLock 和 公平锁

1. ReentrantLock 介绍

鉴于上一篇小傅哥已经基于,HotSpot虚拟机源码分析 synchronized 实现和相应核心知识点,本来想在本章直接介绍下 ReentrantLock。但因为 ReentrantLock 知识点较多,因此会分几篇分别讲解,突出每一篇重点,避免猪八戒吞枣。

介绍:ReentrantLock 是一个可重入且独占式锁,具有与 synchronized 监视器(monitor enter、monitor exit)锁基本相同的行为和语意。但与 synchronized 相比,它更加灵活、强大、增加了轮训、超时、中断等高级功能以及可以创建公平和非公平锁。

2. ReentrantLock 知识链条

图 16-1 ReentrantLock 锁知识链条

ReentrantLock 是基于 Lock 实现的可重入锁,所有的 Lock 都是基于 AQS 实现的,AQS 和 Condition 各自维护不同的对象,在使用 Lock 和 Condition 时,其实就是两个队列的互相移动。它所提供的共享锁、互斥锁都是基于对 state 的操作。而它的可重入是因为实现了同步器 Sync,在 Sync 的两个实现类中,包括了公平锁和非公平锁。

这个公平锁的具体实现,就是我们本章节要介绍的重点,了解什么是公平锁、公平锁的具体实现。学习完基础的知识可以更好的理解 ReentrantLock

3. ReentrantLock 公平锁代码

3.1 初始化

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);  // true:公平锁
lock.lock();
try {
    // todo
} finally {
    lock.unlock();
}
  • 初始化构造函数入参,选择是否为初始化公平锁。
  • 其实一般情况下并不需要公平锁,除非你的场景中需要保证顺序性。
  • 使用 ReentrantLock 切记需要在 finally 中关闭,lock.unlock()

3.2 公平锁、非公平锁,选择

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
  • 构造函数中选择公平锁(FairSync)、非公平锁(NonfairSync)。

3.3 hasQueuedPredecessors

static final class FairSync extends Sync {

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
		...
    }
}
  • 公平锁和非公平锁,主要是在方法 tryAcquire 中,是否有 !hasQueuedPredecessors() 判断。

3.4 队列首位判断

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    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());
}
  • 在这个判断中主要就是看当前线程是不是同步队列的首位,是:true、否:false
  • 这部分就涉及到了公平锁的实现,CLH(Craig,Landin andHagersten)。三个作者的首字母组合

四、什么是公平锁

图 16-2 公共厕所排队入坑

公平锁就像是马路边上的卫生间,上厕所需要排队。当然如果有人不排队,那么就是非公平锁了,比如领导要先上。

CLH 是一种基于单向链表的高性能、公平的自旋锁。AQS中的队列是CLH变体的虚拟双向队列(FIFO),AQS是通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配。

为了更好的学习理解 CLH 的原理,就需要有实践的代码。接下来一 CLH 为核心分别介绍4种公平锁的实现,从而掌握最基本的技术栈知识。

五、公平锁实现

1. CLH

1.1 看图说话

图 16-3 CLH 实现过程原理图

1.2 代码实现

public class CLHLock implements Lock {

    private final ThreadLocal<CLHLock.Node> prev;
    private final ThreadLocal<CLHLock.Node> node;
    private final AtomicReference<CLHLock.Node> tail = new AtomicReference<>(new CLHLock.Node());

    private static class Node {
        private volatile boolean locked;
    }

    public CLHLock() {
        this.prev = ThreadLocal.withInitial(() -> null);
        this.node = ThreadLocal.withInitial(CLHLock.Node::new);
    }

    @Override
    public void lock() {
        final Node node = this.node.get();
        node.locked = true;
        Node pred_node = this.tail.getAndSet(node);
        this.prev.set(pred_node);
        // 自旋
        while (pred_node.locked);
    }

    @Override
    public void unlock() {
        final Node node = this.node.get();
        node.locked = false;
        this.node.set(this.prev.get());
    }

}

1.3 代码讲解

CLH(Craig,Landin and Hagersten),是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁。

在这段代码的实现过程中,相当于是虚拟出来一个链表结构,由 AtomicReference 的方法 getAndSet 进行衔接。getAndSet 获取当前元素,设置新的元素

lock()

  • 通过 this.node.get() 获取当前节点,并设置 locked 为 true。
  • 接着调用 this.tail.getAndSet(node),获取当前尾部节点 pred_node,同时把新加入的节点设置成尾部节点。
  • 之后就是把 this.prev 设置为之前的尾部节点,也就相当于链路的指向。
  • 最后就是自旋 while (pred_node.locked),直至程序释放。

unlock()

  • 释放锁的过程就是拆链,把释放锁的节点设置为false node.locked = false
  • 之后最重要的是把当前节点设置为上一个节点,这样就相当于把自己的节点拆下来了,等着垃圾回收。

CLH队列锁的优点是空间复杂度低,在SMP(Symmetric Multi-Processor)对称多处理器结构(一台计算机由多个CPU组成,并共享内存和其他资源,所有的CPU都可以平等地访问内存、I/O和外部中断)效果还是不错的。但在 NUMA(Non-Uniform Memory Access) 下效果就不太好了,这部分知识可以自行扩展。

2. MCSLock

2.1 代码实现

public class MCSLock implements Lock {

    private AtomicReference<MCSLock.Node> tail = new AtomicReference<>(null);
    ;
    private ThreadLocal<MCSLock.Node> node;

    private static class Node {
        private volatile boolean locked = false;
        private volatile Node next = null;
    }

    public MCSLock() {
        node = ThreadLocal.withInitial(Node::new);
    }

    @Override
    public void lock() {
        Node node = this.node.get();
        Node preNode = tail.getAndSet(node);
        if (null == preNode) {
            node.locked = true;
            return;
        }
        node.locked = false;
        preNode.next = node;
        while (!node.locked) ;
    }

    @Override
    public void unlock() {
        Node node = this.node.get();
        if (null != node.next) {
            node.next.locked = true;
            node.next = null;
            return;
        }
        if (tail.compareAndSet(node, null)) {
            return;
        }
        while (node.next == null) ;
    }

}

2.1 代码讲解

MCS 来自于发明人名字的首字母: John Mellor-Crummey和Michael Scott。

它也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁,但与 CLH 不同。它是真的有下一个节点 next,添加这个真实节点后,它就可以只在本地变量上自旋,而 CLH 是前驱节点的属性上自旋。

因为自旋节点的不同,导致 CLH 更适合于 SMP 架构、MCS 可以适合 NUMA 非一致存储访问架构。你可以想象成 CLH 更需要线程数据在同一块内存上效果才更好,MCS 因为是在本店变量自选,所以无论数据是否分散在不同的CPU模块都没有影响。

代码实现上与 CLH 没有太多差异,这里就不在叙述了,可以看代码学习。

3. TicketLock

3.1 看图说话

图 16-4 银行排队叫号图

3.2 代码实现

public class TicketLock implements Lock {

    private AtomicInteger serviceCount = new AtomicInteger(0);
    private AtomicInteger ticketCount = new AtomicInteger(0);
    private final ThreadLocal<Integer> owner = new ThreadLocal<>();

    @Override
    public void lock() {
        owner.set(ticketCount.getAndIncrement());
        while (serviceCount.get() != owner.get());
    }

    @Override
    public void unlock() {
        serviceCount.compareAndSet(owner.get(), owner.get() + 1);
        owner.remove();
    }
}

3.3 代码讲解

TicketLock 就像你去银行、呷哺给你的一个排号卡一样,叫到你号你才能进去。属于严格的公平性实现,但是多处理器系统上,每个进程/线程占用的处理器都在读写同一个变量,每次读写操作都需要进行多处理间的缓存同步,非常消耗系统性能。

代码实现上也比较简单,lock() 中设置拥有者的号牌,并进入自旋比对。unlock() 中使用 CAS 进行解锁操作,并处理移除。

六、总结

  • ReentrantLock 是基于 Lock 实现的可重入锁,对于公平锁 CLH 的实现,只是这部分知识的冰山一角,但有这一,就可以很好热身便于后续的学习。
  • ReentrantLock 使用起来更加灵活,可操作性也更大,但一定要在 finally 中释放锁,目的是保证在获取锁之后,最终能够被释放。同时不要将获取锁的过程写在 try 里面。
  • 公平锁的实现依据不同场景和SMP、NUMA的使用,会有不同的优劣效果。在实际的使用中一般默认会选择非公平锁,即使是自旋也是耗费性能的,一般会用在较少等待的线程中,避免自旋时过长。

七、系列推荐

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