管程是什么?
管程就是指管理共享变量,以及对共享变量的相关操作。
在管程的发展史上,先后出现过三种不同的管程模型,分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。
MESA模型的核心是需要一个共享变量来表示共享资源的数量,同步等待队列中的线程请求到一个共享资源,相应共享变量要减一,一直到共享变量为0,则请求的线程阻塞在同步等待队列中,如果需要满足某些条件才能竞争共享资源,这些线程会阻塞在条件等待队列中,但条件满足后要么转移到同步等待队列中,要么直接占有共享资源。
同步等待队列:竞争共享资源暂没竞争到的线程会阻塞在同步等待队列中。
条件等待队列:在竞争资源的过程中还未达到某个条件,会阻塞在条件等待队列中,其中需要达到的条件即用条件变量表示,当满足这个条件后就会转移到同步等待队列中。
在Java中针对管程有两种实现:(1)一种是基于Object的Monitor机制,用于synchronized内置锁的实现;(2)一种是抽象队列同步器AQS,用于JUC包下Lock锁机制的实现;以下重点介绍方案(2)中的AQS。
对于被请求的共享变量如果是空闲的,则将请求共享资源的线程设置为工作线程并且将共享变量减一。对于被请求资源是被占用的情况,则将该线程阻塞起来放到双向同步等待队列中,等共享资源被释放再进行申请。
AQS内部维护属性volatile int state ,其中state表示资源的可用状态,State三种访问方式:
AQS实现时主要实现以下几种方法:
AQS的数据结构包括同步等待队列和条件等待队列,同步等待队列是一个双端队列CLH,每个队列元素为一个Node,Node中保存前驱后置节点、当前线程状态、当前线程以及下一个等待线程。每个Node通过获取和重置state参数来进行加锁操作。共享资源是否被占用是通过对state进行修改来实现的,当该共享资源被加锁后,就会修改state为1。条件等待队列是保存不满足条件的线程,每一个条件对于一个条件同步队列。
同步阻塞队列和条件阻塞队列在一定条件会相互转换,当条件阻塞队列满足条件的情况,就能转移到同步阻塞队列中。即同步阻塞队列中的线程只差竞争到锁,而条件阻塞队列中的线程还需要满足条件才能转移到同步阻塞队列。在Java中通过signal()或signalAll()将条件同步队列中的线程转移到同步等待队列。但不满足条件时,调用await()方法会将同步等待队列中线程转移到条件等待队列中。
常见的使用AQS的编程模式如下:
public class BlockedQueue{
final Lock lock = new ReentrantLock();
final Condition condition1 = lock.newCondition();
final Condition condition2 = lock.newCondition();
//Boolean flag = true;
// 入队
void enq(T x) {
lock.lock();
try {
while (!条件1){
// 条件1不满足,进入1条件等待队列
condition1.await();
}
// ...
//解锁前,唤醒条件2等待队列中线程
condition2.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
// 出队
void deq(){
lock.lock();
try {
while (!条件2){
// 条件2不满足,进入条件2等待队列
condition2.await();
}
// ...
//解锁前,唤醒条件1等待队列中线程
condition1.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
ReentrantLock是实现AQS的悲观锁。初始化状态是state为0,当调用lock()方法时候会调用tryAcquire方法将其state设为1并且锁定,之后其他线程调用tryAcquire方法将会失败并加入到同步队列阻塞,直到该线程调用unlock()方法会将此锁释放,调用tryRelease方法释放锁,将state改为0,同时注意,该线程在释放该锁之前,可以重复获得此锁,所以ReentrantLock是可重入的。
ReentrantLock内部有三个内部类,包括抽象类Sync,和其实现类NonfairSync、FairSync,可以分别实现公平锁和非公平锁,对ReentrantLock的操作基本是对Sync的操作,Sync分为公平实现FairSync和非公平实现NonfairSync,他们都是继承AQS接口。
ReentrantLock和synchronized的区别?
(1)synchronied和ReentrantLock都是可重入锁;
(2)synchronied是Java的关键字,是通过JVM对对象进行加Monitor锁操作实现的;而ReentrantLock通过JDK中的AQS接口来实现,提供多种加锁、解锁方法;
(1)特性:synchronied是非公平锁,ReentrantLock可以实现公平锁和非公平锁;ReentrantLock可以实现可中断、可重试、超时中断、多条件加锁机制;ReentrantLock可以实现等待多条件释放锁,总之ReentrantLock更加灵活、功能更强大;
(2)实现:Synchronized是JVM自动隐式加解锁,执行完成他会自动释放锁;ReentrantLock通过Lock()和unLock()实现手动加锁和取消加锁。
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