面经手册 · 第 16 篇《码农会锁,ReentrantLock 之公平锁讲解和实现》
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作者:小傅哥
专题:面经手册
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
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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
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
构造函数中选择公平锁(FairSync)、非公平锁(NonfairSync)。
3.3 hasQueuedPredecessors
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
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
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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
![](https://static001.geekbang.org/infoq/2d/2d04d6f88d792b1025bfe2c664ec7da9.png)
1.2 代码实现
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
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
![](https://static001.geekbang.org/infoq/ec/ec11294108d8abceec9bdde5ab1b1d50.png)
3.2 代码实现
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,但有这一脚,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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