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手把手教你构建源码级组件——Java互斥不可重入锁

2023-05-16

文章目录

  • 构造同步组件的步骤
    • 1. 定义内部类Syn
    • 2. 继承同步器，重写指定方法
    • 3. 调用同步器方法
  • 互斥不可重入锁实现
    • 代码实现
    • 测试Demo
    • 运行结果
    • 结果分析

构造同步组件的步骤

之前的学习中我们学习了AQS的原理，其中有许多构建锁与同步器的相关概念我们需要了解到：

  • 首先同步器是实现锁的关键，在锁的实现中聚合同步器，利用同步器实现锁的语义；
  • 锁是面向使用者的，提供锁交互的实现；
  • 同步器是面向锁的实现者，简化了锁的实现方式，屏蔽了同步状态管理、线程排队、等待/唤醒等底层操作。

从代码层面，同步器是基于模板模式实现的，可以通过AQS可重写的方法进行子类具体功能实现：

例如下面是AQS中tryAcquire模板方法的源码（如果子类没实现会怕抛出异常）

/**
* 模板方法：
*  protected关键字
*  没有任何实现
* @param arg
* @return
*/
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

那么我们在构建同步组件的时候也就是需要实现以下几步：

1. 定义内部类Syn

随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中，即定义内部类Syn继承AQS

public class XXX implements Lock {
    public class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{
	}
}

2. 继承同步器，重写指定方法

之后在Syn中重写AQS方法，根据同步器需求如下挑选实现不同方法

  • tryAcquire(int arg)：独占式获取同步状态；
  • tryRelease(int arg)：独占式释放同步状态；
  • tryAcquireShared(int arg)：共享式获取同步状态，返回大于0的值表示获取成功，否则失败
  • tryReleaseShared(int arg)：共享式释放锁
  • isHeldExclusively()：当前线程是否在独占模式下被线程占用，一般该方法表示是否被当前线程占用

例如不可重入同步器：

public class XXX implements Lock {
	public class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{
	
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                // 获取成功之后，当前线程是该锁的持有者，不需要再可重入数
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            if (getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
              return getState() == 1;
        }
        // 返回Condition，每个Condition都包含了一个队列
        Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }
}

3. 调用同步器方法

最后调用同步器提供的模板方法，即同步组件类实现Lock方法之后，在lock/unlock方法中调用内部类Syn的方法acquire(int arg)等方法

public class XXX implements Lock {
    
   ........
   	private final Sync sync = new Sync();
    @Override
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    @Override
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    ........

}

具体请看下面的实验部分

互斥不可重入锁实现

在我之前写过的博文中（详解Java锁的升级与对比（1）——锁的分类与细节（结合部分源码））介绍可重入锁与不可重入锁的区别时，就写到JUC中没有不可重入锁的具体实现，但是可以类比，现在呢，我们可以做到实现了，具体看下面代码，模式完全符合依赖Lock与AQS构造同步组件模式。

代码实现

public class Mutex implements Lock {

    private final Sync sync = new Sync();
    public class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                // 获取成功之后，当前线程是该锁的持有者，不需要再可重入数
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            if (getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
              return getState() == 1;
        }
        // 返回Condition，每个Condition都包含了一个队列
        Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }


    @Override
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    @Override
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {

    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return false;
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return false;
    }



    @Override
    public Condition newCondition() {
        return null;
    }
}

其中核心代码就是重写的两个方法：

  • tryAcquire(int arg)方法：主要是设置同独占式更新同步状态，CAS实现state+1
  • tryRelease(int arg)方法：独占式释放同步状态，释放锁持有

测试Demo

package com.yyl.threadtest.utils;

import java.util.Date;

public class MutexDemo {
    public static void main(String[] args) {
        final Mutex lock = new Mutex();
        class Worker extends Thread {
            @Override
            public void run() {
                // 一直不停在获取锁
                while (true) {
                    lock.lock();
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" hold lock, "+new Date());
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" release lock, "+new Date());
                    }
                }
            }

        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Worker worker = new Worker();
            // 以守护进程运行，VM退出不影响运行，这里只是为了一个打印效果，去掉注释一直打印
            worker.setDaemon(true);
            worker.start();
        }
        // 每隔一秒换行
        for (int j = 0; j < 10; j++) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

运行结果

image-20230223123456554

Thread-0 hold lock, Thu Feb 23 12:33:53 CST 2023

Thread-0 release lock, Thu Feb 23 12:33:54 CST 2023
Thread-1 hold lock, Thu Feb 23 12:33:54 CST 2023

Thread-1 release lock, Thu Feb 23 12:33:55 CST 2023
Thread-2 hold lock, Thu Feb 23 12:33:55 CST 2023

Thread-2 release lock, Thu Feb 23 12:33:56 CST 2023
Thread-3 hold lock, Thu Feb 23 12:33:56 CST 2023

Thread-3 release lock, Thu Feb 23 12:33:57 CST 2023
Thread-4 hold lock, Thu Feb 23 12:33:57 CST 2023

Thread-6 hold lock, Thu Feb 23 12:33:58 CST 2023
Thread-4 release lock, Thu Feb 23 12:33:58 CST 2023

Thread-6 release lock, Thu Feb 23 12:33:59 CST 2023
Thread-5 hold lock, Thu Feb 23 12:33:59 CST 2023

Thread-5 release lock, Thu Feb 23 12:34:00 CST 2023
Thread-7 hold lock, Thu Feb 23 12:34:00 CST 2023

Thread-7 release lock, Thu Feb 23 12:34:01 CST 2023
Thread-8 hold lock, Thu Feb 23 12:34:01 CST 2023

Thread-9 hold lock, Thu Feb 23 12:34:02 CST 2023
Thread-8 release lock, Thu Feb 23 12:34:02 CST 2023

Process finished with exit code 0

结果分析

互斥锁的核心就是同一个同步状态只能被一个线程持有，其它线程等待持有线程释放才能竞争获取。截图一开始的运行结果分析：

Thread-0 hold lock, Thu Feb 23 12:33:53 CST 2023

Thread-0 release lock, Thu Feb 23 12:33:54 CST 2023
Thread-1 hold lock, Thu Feb 23 12:33:54 CST 2023

Thread-1 release lock, Thu Feb 23 12:33:55 CST 2023
Thread-2 hold lock, Thu Feb 23 12:33:55 CST 2023

10个线程不断竞争锁，一开始Thread-0在08 12:33:53获取到锁，持有锁1秒后在释放12:33:54时释放，同时Thread-1立马获取到锁，1秒后于12:33:55释放锁，同时Thread-2立马获取到了锁…

根据输出结果来说，完全符合Mutex作为互斥锁这个功能：同一时刻只有一个线程持有锁（同步状态），其它线程等待释放后才能获取。

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