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死磕 java同步系列之自己动手写一个锁Lock

问题

(1)自己动手写一个锁需要哪些知识?

(2)自己动手写一个锁到底有多简单?

(3)自己能不能写出来一个完美的锁?

简介

本篇文章的目标一是自己动手写一个锁,这个锁的功能很简单,能进行正常的加锁、解锁操作。

本篇文章的目标二是通过自己动手写一个锁,能更好地理解后面章节将要学习的AQS及各种同步器实现的原理。

分析

自己动手写一个锁需要准备些什么呢?

首先,在上一章学习synchronized的时候我们说过它的实现原理是更改对象头中的MarkWord,标记为已加锁或未加锁。

但是,我们自己是无法修改对象头信息的,那么我们可不可以用一个变量来代替呢?

比如,这个变量的值为1的时候就说明已加锁,变量值为0的时候就说明未加锁,我觉得可行。

其次,我们要保证多个线程对上面我们定义的变量的争用是可控的,所谓可控即同时只能有一个线程把它的值修改为1,且当它的值为1的时候其它线程不能再修改它的值,这种是不是就是典型的CAS操作,所以我们需要使用Unsafe这个类来做CAS操作。

然后,我们知道在多线程的环境下,多个线程对同一个锁的争用肯定只有一个能成功,那么,其它的线程就要排队,所以我们还需要一个队列。

最后,这些线程排队的时候干嘛呢?它们不能再继续执行自己的程序,那就只能阻塞了,阻塞完了当轮到这个线程的时候还要唤醒,所以我们还需要Unsfae这个类来阻塞(park)和唤醒(unpark)线程。

基于以上四点,我们需要的神器大致有:一个变量、一个队列、执行CAS/park/unpark的Unsafe类。

大概的流程图如下图所示:

mylock

关于Unsafe类的相关讲解请参考彤哥之前发的文章:

死磕 java魔法类之Unsafe解析

解决

一个变量

这个变量只支持同时只有一个线程能把它修改为1,所以它修改完了一定要让其它线程可见,因此,这个变量需要使用volatile来修饰。

private volatile int state;
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CAS

这个变量的修改必须是原子操作,所以我们需要CAS更新它,我们这里使用Unsafe来直接CAS更新int类型的state。

当然,这个变量如果直接使用AtomicInteger也是可以的,不过,既然我们学习了更底层的Unsafe类那就应该用(浪)起来。

private boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
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一个队列

队列的实现有很多,数组、链表都可以,我们这里采用链表,毕竟链表实现队列相对简单一些,不用考虑扩容等问题。

这个队列的操作很有特点:

放元素的时候都是放到尾部,且可能是多个线程一起放,所以对尾部的操作要CAS更新;

唤醒一个元素的时候从头部开始,但同时只有一个线程在操作,即获得了锁的那个线程,所以对头部的操作不需要CAS去更新。

private static class Node {
    // 存储的元素为线程
    Thread thread;
    // 前一个节点(可以没有,但实现起来很困难)
    Node prev;
    // 后一个节点
    Node next;

    public Node() {
    }

    public Node(Thread thread, Node prev) {
        this.thread = thread;
        this.prev = prev;
    }
}
// 链表头
private volatile Node head;
// 链表尾
private volatile Node tail;
// 原子更新tail字段
private boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}
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这个队列很简单,存储的元素是线程,需要有指向下一个待唤醒的节点,前一个节点可有可无,但是没有实现起来很困难,不信学完这篇文章你试试。

加锁

public void lock() {
    // 尝试更新state字段,更新成功说明占有了锁
    if (compareAndSetState(0, 1)) {
        return;
    }
    // 未更新成功则入队
    Node node = enqueue();
    Node prev = node.prev;
    // 再次尝试获取锁,需要检测上一个节点是不是head,按入队顺序加锁
    while (node.prev != head || !compareAndSetState(0, 1)) {
        // 未获取到锁,阻塞
        unsafe.park(false, 0L);
    }
    // 下面不需要原子更新,因为同时只有一个线程访问到这里
    // 获取到锁了且上一个节点是head
    // head后移一位
    head = node;
    // 清空当前节点的内容,协助GC
    node.thread = null;
    // 将上一个节点从链表中剔除,协助GC
    node.prev = null;
    prev.next = null;
}
// 入队
private Node enqueue() {
    while (true) {
        // 获取尾节点
        Node t = tail;
        // 构造新节点
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), t);
        // 不断尝试原子更新尾节点
        if (compareAndSetTail(t, node)) {
            // 更新尾节点成功了,让原尾节点的next指针指向当前节点
            t.next = node;
            return node;
        }
    }
}
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(1)尝试获取锁,成功了就直接返回;

(2)未获取到锁,就进入队列排队;

(3)入队之后,再次尝试获取锁;

(4)如果不成功,就阻塞;

(5)如果成功了,就把头节点后移一位,并清空当前节点的内容,且与上一个节点断绝关系;

(6)加锁结束;

解锁

// 解锁
public void unlock() {
    // 把state更新成0,这里不需要原子更新,因为同时只有一个线程访问到这里
    state = 0;
    // 下一个待唤醒的节点
    Node next = head.next;
    // 下一个节点不为空,就唤醒它
    if (next != null) {
        unsafe.unpark(next.thread);
    }
}
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(1)把state改成0,这里不需要CAS更新,因为现在还在加锁中,只有一个线程去更新,在这句之后就释放了锁;

(2)如果有下一个节点就唤醒它;

(3)唤醒之后就会接着走上面lock()方法的while循环再去尝试获取锁;

(4)唤醒的线程不是百分之百能获取到锁的,因为这里state更新成0的时候就解锁了,之后可能就有线程去尝试加锁了。

测试

上面完整的锁的实现就完了,是不是很简单,但是它是不是真的可靠呢,敢不敢来试试?!

直接上测试代码:

private static int count = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    MyLock lock = new MyLock();

    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);

    IntStream.range(0, 1000).forEach(i -> new Thread(() -> {
        lock.lock();

        try {
            IntStream.range(0, 10000).forEach(j -> {
                count++;
            });
        } finally {
            lock.unlock();
        }
//            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        countDownLatch.countDown();
    }, "tt-" + i).start());

    countDownLatch.await();

    System.out.println(count);
}
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运行这段代码的结果是总是打印出10000000(一千万),说明我们的锁是正确的、可靠的、完美的。

总结

(1)自己动手写一个锁需要做准备:一个变量、一个队列、Unsafe类。

(2)原子更新变量为1说明获得锁成功;

(3)原子更新变量为1失败说明获得锁失败,进入队列排队;

(4)更新队列尾节点的时候是多线程竞争的,所以要使用原子更新;

(5)更新队列头节点的时候只有一个线程,不存在竞争,所以不需要使用原子更新;

(6)队列节点中的前一个节点prev的使用很巧妙,没有它将很难实现一个锁,只有写过的人才明白,不信你试试^^

彩蛋

(1)我们实现的锁支持可重入吗?

答:不可重入,因为我们每次只把state更新为1。如果要支持可重入也很简单,获取锁时检测锁是不是被当前线程占有着,如果是就把state的值加1,释放锁时每次减1即可,减为0时表示锁已释放。

(2)我们实现的锁是公平锁还是非公平锁?

答:非公平锁,因为获取锁的时候我们先尝试了一次,这里并不是严格的排队,所以是非公平锁。

(3)完整源码

关注我的公众号“彤哥读源码”,后台回复“mylock”获取本章完整源码。

注:下一章我们将开始分析传说中的AQS,这章是基础,请各位老铁务必搞明白。

推荐阅读

  1. 死磕 java魔法类之Unsafe解析

  2. 死磕 java同步系列之JMM(Java Memory Model)

  3. 死磕 java同步系列之volatile解析

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