关于同步的一点思考-下

作者: 往之farmer | 来源:发表于2018-09-28 15:52 被阅读30次

在<关于同步的一点思考-上>中介绍了几种实现锁的方式以及linux底层futex的实现原理
ReentrantLock的实现网上有很多文章了，本篇文章会简单介绍下其java层实现，重点放在分析竞争锁失败后如何阻塞线程。
因篇幅有限，synchronized的内容将会放到下篇文章。

更多文章见个人博客：https://github.com/farmerjohngit/myblog

Java Lock的实现

ReentrantLock是jdk中常用的锁实现，其实现逻辑主语基于AQS(juc包中的大多数同步类实现都是基于AQS)；接下来会简单介绍AQS的大致原理，关于其实现细节以及各种应用，之后会写一篇文章具体分析。

AQS

AQS是类AbstractQueuedSynchronizer.java的简称，JUC包下的ReentrantLock、CyclicBarrier、CountdownLatch都使用到了AQS。

其大致原理如下：

AQS维护一个叫做state的int型变量和一个双向链表，state用来表示同步状态，双向链表存储的是等待锁的线程
加锁时首先调用tryAcquire尝试获得锁，如果获得锁失败，则将线程插入到双向链表中，并调用LockSupport.park()方法阻塞当前线程。
释放锁时调用LockSupport.unpark()唤起链表中的第一个节点的线程。被唤起的线程会重新走一遍竞争锁的流程。

其中tryAcquire方法是抽象方法，具体实现取决于实现类，我们常说的公平锁和非公平锁的区别就在于该方法的实现。

ReentrantLock

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，我们只看公平锁。
ReentrantLock.lock会调用到ReentrantLock#FairSync.lock中：

FairSync.java

  static final class FairSync extends Sync {
      
        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        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;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

AbstractQueuedSynchronizer.java


   public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

可以看到FairSync.lock调用了AQS的acquire方法，而在acquire中首先调用tryAcquire尝试获得锁，以下两种情况返回true：

state==0(代表没有线程持有锁)，且等待队列为空(公平的实现)，且cas修改state成功。
当前线程已经获得了锁，这次调用是重入

如果tryAcquire失败则调用acquireQueued阻塞当前线程。acquireQueued最终会调用到LockSupport.park()阻塞线程。

LockSupport.park

个人认为，要深入理解锁机制，一个很重要的点是理解系统是如何阻塞线程的。

LockSupport.java

    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        UNSAFE.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }

park方法的参数blocker是用于负责这次阻塞的同步对象，在AQS的调用中，这个对象就是AQS本身。我们知道synchronized关键字是需要指定一个对象的（如果作用于方法上则是当前对象或当前类），与之类似blocker就是LockSupport指定的对象。

park方法调用了native方法UNSAFE.park，第一个参数代表第二个参数是否是绝对时间，第二个参数代表最长阻塞时间。

其实现如下,只保留核心代码，完整代码看查看unsafe.cpp

 Unsafe_Park(JNIEnv *env, jobject unsafe, jboolean isAbsolute, jlong time){
 ...
 thread->parker()->park(isAbsolute != 0, time);
 ...
 }

park方法在os_linux.cpp中（其他操作系统的实现在os_xxx中）

void Parker::park(bool isAbsolute, jlong time) {
  
  ...
  //获得当前线程
  Thread* thread = Thread::current();
  assert(thread->is_Java_thread(), "Must be JavaThread");
  JavaThread *jt = (JavaThread *)thread;

 //如果当前线程被设置了interrupted标记，则直接返回
  if (Thread::is_interrupted(thread, false)) {
    return;
  }
 
  if (time > 0) {
  //unpacktime中根据isAbsolute的值来填充absTime结构体，isAbsolute为true时，time代表绝对时间且单位是毫秒，否则time是相对时间且单位是纳秒
  //absTime.tvsec代表了对于时间的秒
  //absTime.tv_nsec代表对应时间的纳秒
    unpackTime(&absTime, isAbsolute, time);
  }

    //调用mutex trylock方法
    if (Thread::is_interrupted(thread, false) || pthread_mutex_trylock(_mutex) != 0) {
    return;
  }
    
    //_counter是一个许可的数量，跟ReentrantLock里定义的许可变量基本都是一个原理。 unpack方法调用时会将_counter赋值为1。
    //_counter>0代表已经有人调用了unpark，所以不用阻塞
  int status ;
  if (_counter > 0)  { // no wait needed
    _counter = 0;
    //释放mutex锁
    status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
    return;
  }

//设置线程状态为CONDVAR_WAIT
  OSThreadWaitState osts(thread->osthread(), false /* not Object.wait() */);
 ...
 //等待
 _cur_index = isAbsolute ? ABS_INDEX : REL_INDEX;
 pthread_cond_timedwait(&_cond[_cur_index], _mutex,  &absTime);
 
 ...
  //释放mutex锁
  status = pthread_mutex_unlock(_mutex) ;
  
  
}

park方法用POSIX的pthread_cond_timedwait方法阻塞线程，调用pthread_cond_timedwait前需要先获得锁，因此park主要流程为：

调用pthread_mutex_trylock尝试获得锁，如果获取锁失败则直接返回
调用pthread_cond_timedwait进行等待
调用pthread_mutex_unlock释放锁

另外，在阻塞当前线程前，会调用OSThreadWaitState的构造方法将线程状态设置为CONDVAR_WAIT，在Jvm中Thread状态枚举如下

  enum ThreadState {
  ALLOCATED,                    // Memory has been allocated but not initialized
  INITIALIZED,                  // The thread has been initialized but yet started
  RUNNABLE,                     // Has been started and is runnable, but not necessarily running
  MONITOR_WAIT,                 // Waiting on a contended monitor lock
  CONDVAR_WAIT,                 // Waiting on a condition variable
  OBJECT_WAIT,                  // Waiting on an Object.wait() call
  BREAKPOINTED,                 // Suspended at breakpoint
  SLEEPING,                     // Thread.sleep()
  ZOMBIE                        // All done, but not reclaimed yet
};

Linux的timedwait

由上文我们可以知道LockSupport.park方法最终是由POSIX的
pthread_cond_timedwait的方法实现的。
我们现在就进一步看看pthread_mutex_trylock,pthread_cond_timedwait,pthread_mutex_unlock这几个方法是如何实现的。

Linux系统中相关代码在glibc库中。

`pthread_mutex_trylock`

先看trylock的实现，
代码在glibc的pthread_mutex_trylock.c文件中，该方法代码很多，我们只看主要代码

//pthread_mutex_t是posix中的互斥锁结构体
int
__pthread_mutex_trylock (mutex)
     pthread_mutex_t *mutex;
{
  int oldval;
  pid_t id = THREAD_GETMEM (THREAD_SELF, tid);
switch (__builtin_expect (PTHREAD_MUTEX_TYPE (mutex),
                PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP))
    {
    
    case PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:
    case PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:
    case PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:
      /* Normal mutex.  */
      if (lll_trylock (mutex->__data.__lock) != 0)
    break;

      /* Record the ownership.  */
      mutex->__data.__owner = id;
      ++mutex->__data.__nusers;

      return 0;
    }
    
} 
 //以下代码在lowlevellock.h中  
   #define __lll_trylock(futex) \
  (atomic_compare_and_exchange_val_acq (futex, 1, 0) != 0)
  #define lll_trylock(futex) __lll_trylock (&(futex))

mutex默认用的是PTHREAD_MUTEX_NORMAL类型(与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP相同)；
因此会先调用lll_trylock方法，lll_trylock实际上是一个cas操作，如果mutex->__data.__lock==0则将其修改为1并返回0，否则返回1。

如果成功，则更改mutex中的owner为当前线程。

`pthread_mutex_unlock`

pthread_mutex_unlock.c

int
internal_function attribute_hidden
__pthread_mutex_unlock_usercnt (mutex, decr)
     pthread_mutex_t *mutex;
     int decr;
{
    if (__builtin_expect (type, PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)
      == PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)
    {
      /* Always reset the owner field.  */
    normal:
      mutex->__data.__owner = 0;
      if (decr)
    /* One less user.  */
    --mutex->__data.__nusers;

      /* Unlock.  */
      lll_unlock (mutex->__data.__lock, PTHREAD_MUTEX_PSHARED (mutex));
      return 0;
    }
 }

pthread_mutex_unlock将mutex中的owner清空，并调用了lll_unlock方法

lowlevellock.h

 

 #define __lll_unlock(futex, private)                         \
  ((void) ({                                      \
    int *__futex = (futex);                           \
    int __val = atomic_exchange_rel (__futex, 0);                 \
                                          \
    if (__builtin_expect (__val > 1, 0))                      \
      lll_futex_wake (__futex, 1, private);                   \
  }))
#define lll_unlock(futex, private) __lll_unlock(&(futex), private)


#define lll_futex_wake(ftx, nr, private)                \
({                                  \
   DO_INLINE_SYSCALL(futex, 3, (long) (ftx),                \
             __lll_private_flag (FUTEX_WAKE, private),      \
             (int) (nr));                   \
   _r10 == -1 ? -_retval : _retval;                 \
})

lll_unlock分为两个步骤：

将futex设置为0并拿到设置之前的值（用户态操作）
如果futex之前的值>1，代表存在锁冲突，也就是说有线程调用了FUTEX_WAIT在休眠，所以通过调用系统函数FUTEX_WAKE唤醒休眠线程

FUTEX_WAKE在上一篇文章有分析，futex机制的核心是当获得锁时，尝试cas更改一个int型变量（用户态操作），如果integer原始值是0，则修改成功，该线程获得锁，否则就将当期线程放入到 wait queue中，wait queue中的线程不会被系统调度（内核态操作）。

futex变量的值有3种：0代表当前锁空闲，1代表有线程持有当前锁，2代表存在锁冲突。futex的值初始化时是0；当调用try_lock的时候会利用cas操作改为1（见上面的trylock函数）；当调用lll_lock时，如果不存在锁冲突，则将其改为1，否则改为2。

#define __lll_lock(futex, private)                        \
  ((void) ({                                      \
    int *__futex = (futex);                           \
    if (__builtin_expect (atomic_compare_and_exchange_bool_acq (__futex,      \
                                1, 0), 0))    \
      {                                       \
    if (__builtin_constant_p (private) && (private) == LLL_PRIVATE)       \
      __lll_lock_wait_private (__futex);                      \
    else                                      \
      __lll_lock_wait (__futex, private);                     \
      }                                       \
  }))
#define lll_lock(futex, private) __lll_lock (&(futex), private)

void
__lll_lock_wait_private (int *futex)
{
//第一次进来的时候futex==1,所以不会走这个if
  if (*futex == 2)
    lll_futex_wait (futex, 2, LLL_PRIVATE);
//在这里会把futex设置成2，并调用futex_wait让当前线程等待
  while (atomic_exchange_acq (futex, 2) != 0)
    lll_futex_wait (futex, 2, LLL_PRIVATE);
}

`pthread_cond_timedwait`

pthread_cond_timedwait用于阻塞线程，实现线程等待，
代码在glibc的pthread_cond_timedwait.c文件中，代码较长，你可以先简单过一遍，看完下面的分析再重新读一遍代码

int
int
__pthread_cond_timedwait (cond, mutex, abstime)
     pthread_cond_t *cond;
     pthread_mutex_t *mutex;
     const struct timespec *abstime;
{
  struct _pthread_cleanup_buffer buffer;
  struct _condvar_cleanup_buffer cbuffer;
  int result = 0;

  /* Catch invalid parameters.  */
  if (abstime->tv_nsec < 0 || abstime->tv_nsec >= 1000000000)
    return EINVAL;

  int pshared = (cond->__data.__mutex == (void *) ~0l)
        ? LLL_SHARED : LLL_PRIVATE;

  //1.获得cond锁
  lll_lock (cond->__data.__lock, pshared);

  //2.释放mutex锁
  int err = __pthread_mutex_unlock_usercnt (mutex, 0);
  if (err)
    {
      lll_unlock (cond->__data.__lock, pshared);
      return err;
    }

  /* We have one new user of the condvar.  */
  //每执行一次wait(pthread_cond_timedwait/pthread_cond_wait)，__total_seq就会+1
  ++cond->__data.__total_seq;
  //用来执行futex_wait的变量
  ++cond->__data.__futex;
  //标识该cond还有多少线程在使用，pthread_cond_destroy需要等待所有的操作完成
  cond->__data.__nwaiters += 1 << COND_NWAITERS_SHIFT;

  /* Remember the mutex we are using here.  If there is already a
     different address store this is a bad user bug.  Do not store
     anything for pshared condvars.  */
  //保存mutex锁
  if (cond->__data.__mutex != (void *) ~0l)
    cond->__data.__mutex = mutex;

  /* Prepare structure passed to cancellation handler.  */
  cbuffer.cond = cond;
  cbuffer.mutex = mutex;

  /* Before we block we enable cancellation.  Therefore we have to
     install a cancellation handler.  */
  __pthread_cleanup_push (&buffer, __condvar_cleanup, &cbuffer);

  /* The current values of the wakeup counter.  The "woken" counter
     must exceed this value.  */
  //记录futex_wait前的__wakeup_seq（为该cond上执行了多少次sign操作+timeout次数）和__broadcast_seq（代表在该cond上执行了多少次broadcast）
  unsigned long long int val;
  unsigned long long int seq;
  val = seq = cond->__data.__wakeup_seq;
  /* Remember the broadcast counter.  */
  cbuffer.bc_seq = cond->__data.__broadcast_seq;

  while (1)
    {
      //3.计算要wait的相对时间
      struct timespec rt;
      {
#ifdef __NR_clock_gettime
    INTERNAL_SYSCALL_DECL (err);
    int ret;
    ret = INTERNAL_VSYSCALL (clock_gettime, err, 2,
                (cond->__data.__nwaiters
                 & ((1 << COND_NWAITERS_SHIFT) - 1)),
                &rt);
# ifndef __ASSUME_POSIX_TIMERS
    if (__builtin_expect (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (ret, err), 0))
      {
        struct timeval tv;
        (void) gettimeofday (&tv, NULL);

        /* Convert the absolute timeout value to a relative timeout.  */
        rt.tv_sec = abstime->tv_sec - tv.tv_sec;
        rt.tv_nsec = abstime->tv_nsec - tv.tv_usec * 1000;
      }
    else
# endif
      {
        /* Convert the absolute timeout value to a relative timeout.  */
        rt.tv_sec = abstime->tv_sec - rt.tv_sec;
        rt.tv_nsec = abstime->tv_nsec - rt.tv_nsec;
      }
#else
    /* Get the current time.  So far we support only one clock.  */
    struct timeval tv;
    (void) gettimeofday (&tv, NULL);

    /* Convert the absolute timeout value to a relative timeout.  */
    rt.tv_sec = abstime->tv_sec - tv.tv_sec;
    rt.tv_nsec = abstime->tv_nsec - tv.tv_usec * 1000;
#endif
      }
      if (rt.tv_nsec < 0)
    {
      rt.tv_nsec += 1000000000;
      --rt.tv_sec;
    }
   /*---计算要wait的相对时间 end---- */

  //是否超时
      /* Did we already time out?  */
      if (__builtin_expect (rt.tv_sec < 0, 0))
    {
    //被broadcast唤醒，这里疑问的是，为什么不需要判断__wakeup_seq？
      if (cbuffer.bc_seq != cond->__data.__broadcast_seq)
        goto bc_out;

      goto timeout;
    }

      unsigned int futex_val = cond->__data.__futex;

      //4.释放cond锁，准备wait
      lll_unlock (cond->__data.__lock, pshared);

      /* Enable asynchronous cancellation.  Required by the standard.  */
      cbuffer.oldtype = __pthread_enable_asynccancel ();

      //5.调用futex_wait
      /* Wait until woken by signal or broadcast.  */
      err = lll_futex_timed_wait (&cond->__data.__futex,
                  futex_val, &rt, pshared);

      /* Disable asynchronous cancellation.  */
      __pthread_disable_asynccancel (cbuffer.oldtype);


      //6.重新获得cond锁，因为又要访问&修改cond的数据了
      lll_lock (cond->__data.__lock, pshared);

      //__broadcast_seq值发生改变，代表发生了有线程调用了广播
      if (cbuffer.bc_seq != cond->__data.__broadcast_seq)
    goto bc_out;

     //判断是否是被sign唤醒的，sign会增加__wakeup_seq
     //第二个条件cond->__data.__woken_seq != val的意义在于
    //可能两个线程A、B在wait，一个线程调用了sign导致A被唤醒，这时B因为超时被唤醒
    //对于B线程来说，执行到这里时第一个条件也是满足的，从而导致上层拿到的result不是超时
    //所以这里需要判断下__woken_seq（即该cond已经被唤醒的线程数）是否等于__wakeup_seq（sign执行次数+timeout次数）
      val = cond->__data.__wakeup_seq;
      if (val != seq && cond->__data.__woken_seq != val)
    break;

      /* Not woken yet.  Maybe the time expired?  */
      if (__builtin_expect (err == -ETIMEDOUT, 0))
    {
    timeout:
      /* Yep.  Adjust the counters.  */
      ++cond->__data.__wakeup_seq;
      ++cond->__data.__futex;

      /* The error value.  */
      result = ETIMEDOUT;
      break;
    }
    }

  //一个线程已经醒了所以这里__woken_seq +1
  ++cond->__data.__woken_seq;

 bc_out:
  //
  cond->__data.__nwaiters -= 1 << COND_NWAITERS_SHIFT;

  /* If pthread_cond_destroy was called on this variable already,
     notify the pthread_cond_destroy caller all waiters have left
     and it can be successfully destroyed.  */
  if (cond->__data.__total_seq == -1ULL
      && cond->__data.__nwaiters < (1 << COND_NWAITERS_SHIFT))
    lll_futex_wake (&cond->__data.__nwaiters, 1, pshared);

 //9.cond数据修改完毕，释放锁
  lll_unlock (cond->__data.__lock, pshared);

  /* The cancellation handling is back to normal, remove the handler.  */
  __pthread_cleanup_pop (&buffer, 0);

 //10.重新获得mutex锁
  err = __pthread_mutex_cond_lock (mutex);

  return err ?: result;
}

上面的代码虽然加了注释，但相信大多数人第一次看都看不懂。
我们来简单梳理下，上面代码有两把锁，一把是mutex锁，一把cond锁。另外，在调用pthread_cond_timedwait前后必须调用pthread_mutex_lock(&mutex);和pthread_mutex_unlock(&mutex);加/解mutex锁。

因此pthread_cond_timedwait的使用大致分为几个流程:

加mutex锁（在pthread_cond_timedwait调用前）
加cond锁
释放mutex锁
修改cond数据
释放cond锁
执行futex_wait
重新获得cond锁
比较cond的数据，判断当前线程是被正常唤醒的还是timeout唤醒的，需不需要重新wait
修改cond数据
是否cond锁
重新获得mutex锁
释放mutex锁（在pthread_cond_timedwait调用后）

看到这里，你可能有几点疑问：为什么需要两把锁？mutex锁和cond锁的作用是什么？

mutex锁

说mutex锁的作用之前，我们回顾一下java的Object.wait的使用。Object.wait必须是在synchronized同步块中使用。试想下如果不加synchronized也能运行Object.wait的话会存在什么问题？

Object condObj=new Object();
voilate int flag = 0;
public void waitTest(){
    if(flag == 0){
        condObj.wait();
    }
}
public void notifyTest(){
    flag=1;
    condObj.notify();
}

如上代码，A线程调用waitTest,这时flag==0,所以准备调用wait方法进行休眠，这时B线程开始执行，调用notifyTest将flag置为1，并调用notify方法，注意:此时A线程还没调用wait,所以notfiy没有唤醒任何线程。然后A线程继续执行，调用wait方法进行休眠，而之后不会有人来唤醒A线程，A线程将永久wait下去！

Object condObj=new Object();
voilate int flag = 0;
public void waitTest(){
    synchronized(condObj){
        if(flag == 0){
            condObj.wait();
        }
    }
    
}
public void notifyTest(){
    synchronized(condObj){
        flag=1;
        condObj.notify();
    }
}

在有锁保护下的情况下，当调用condObj.wait时，flag一定是等于0的，不会存在一直wait的问题。

回到pthread_cond_timedwait，其需要加mutex锁的原因就呼之欲出了：保证wait和其wait条件的原子性

不管是glibc的pthread_cond_timedwait/pthread_cond_signal还是java层的Object.wait/Object.notify,Jdk AQS的Condition.await/Condition.signal，所有的Condition机制都需要在加锁环境下才能使用，其根本原因就是要保证进行线程休眠时，条件变量是没有被篡改的。

注意下mutex锁释放的时机，回顾上文中pthread_cond_timedwait的流程，在第2步时就释放了mutex锁，之后调用futex_wait进行休眠，为什么要在休眠前就释放mutex锁呢？原因也很简单：如果不释放mutex锁就开始休眠，那其他线程就永远无法调用signal方法将休眠线程唤醒（因为调用signal方法前需要获得mutex锁）。

在线程被唤醒之后还要在第10步中重新获得mutex锁是为了保证锁的语义（思考下如果不重新获得mutex锁会发生什么）。

cond锁

cond锁的作用其实很简单：保证对象cond->data的线程安全。
在pthread_cond_timedwait时需要修改cond->data的数据，如增加__total_seq（在这个cond上一共执行过多少次wait）增加__nwaiters（现在还有多少个线程在wait这个cond），所有在修改及访问cond->data时需要加cond锁。

这里我没想明白的一点是，用mutex锁也能保证cond->data修改的线程安全，只要晚一点释放mutex锁就行了。为什么要先释放mutex，重新获得cond来保证线程安全？是为了避免mutex锁住的范围太大吗？

如何唤醒休眠线程

唤醒休眠线程的代码比较简单，主要就是调用lll_futex_wake。


int
__pthread_cond_signal (cond)
     pthread_cond_t *cond;
{
  int pshared = (cond->__data.__mutex == (void *) ~0l)
        ? LLL_SHARED : LLL_PRIVATE;

  //因为要操作cond的数据，所以要加锁
  lll_lock (cond->__data.__lock, pshared);

  /* Are there any waiters to be woken?  */
  if (cond->__data.__total_seq > cond->__data.__wakeup_seq)
    {
      //__wakeup_seq为执行sign与timeout次数的和
      ++cond->__data.__wakeup_seq;
      ++cond->__data.__futex;

       ...
        //唤醒wait的线程
      lll_futex_wake (&cond->__data.__futex, 1, pshared);
    }

  /* We are done.  */
  lll_unlock (cond->__data.__lock, pshared);

  return 0;
}

End

本文对Java简单介绍了ReentrantLock实现原理，对LockSupport.park底层实现pthread_cond_timedwait机制做了详细分析。

看完这篇文章，你可能还会有疑问：Synchronized锁的实现和ReentrantLock是一样的吗？Thread.sleep/Object.wait休眠线程的原理和LockSupport.park有什么区别？linux内核层的futex的具体是如何实现的？

这些问题，之后的文章会一一解答，尽请期待~

关于同步的一点思考-下

Java Lock的实现

AQS

ReentrantLock

LockSupport.park

Linux的timedwait

`pthread_mutex_trylock`

`pthread_mutex_unlock`

`pthread_cond_timedwait`

mutex锁

cond锁

如何唤醒休眠线程

End

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