ReentrantLock 구현 원리 소개(코드 예시)

이 글은 ReentrantLock의 구현 원리(코드 예제)를 소개합니다. 이는 특정 참조 가치가 있습니다. 도움이 필요한 친구들이 참고할 수 있기를 바랍니다.

동시 프로그래밍에서는 동기화된 키워드 외에도 Java 동시성 패키지의 java.util.concurrent.locks에 있는 ReentrantLock 및 ReentrantReadWriteLock도 일반적으로 사용되는 잠금 구현입니다. 이 기사에서는 소스 코드에서 재진입 잠금의 원리를 분석합니다.

먼저 재진입 잠금에 대해 이야기해 보겠습니다. 스레드가 잠금을 획득한 후 자체 차단 없이 여러 번 잠금을 획득할 수 있습니다.

ReentrantLock은 추상 클래스 AbstractQueuedSynchronizer(이하 AQS)를 기반으로 구현됩니다.

소스 코드를 보세요:

우선 ReentrantLock에는 공정한 잠금과 불공정한 잠금이라는 두 가지 메커니즘이 있다는 것을 생성자에서 볼 수 있습니다.

//默认非公平锁
public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

먼저 공정한 잠금과 불공정한 잠금의 차이점을 간략하게 설명하고, 두 가지의 서로 다른 구현 방법을 분석해 보세요.

공정한 잠금: 여러 스레드가 선착순입니다. 큐잉과 유사하게 나중에 오는 스레드는 큐의 끝에 배치됩니다.

불공정한 자물쇠: 자물쇠를 두고 경쟁하세요. 움켜쥐면 실행됩니다. 움켜쥐지 않으면 차단됩니다. 대회에 참가하기 전에 잠금을 획득한 스레드가 해제될 때까지 기다립니다.

그래서 불공평한 자물쇠가 주로 사용됩니다. 그 효율성은 공정한 잠금보다 높습니다.

Acquire lock

Fair lock

final void lock() {
            acquire(1);
        }

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

첫 번째 단계 tryAcquire(arg)는 FairSync에 의해 구현되는 잠금을 시도합니다.

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;
        }

• 현재 스레드 가져오기

• AQS에서 상태를 가져옵니다. 상태가 0이면 현재 잠금을 획득한 스레드가 없음을 의미합니다. ​

• if 판단에서는 먼저 AQS Node 큐가 비어 있는지 확인해야 합니다. 비어 있지 않으면 대기열에 들어가야 합니다. 지금은 잠금이 획득되지 않았습니다.

• CAS 알고리즘을 사용하여 상태를 1로 업데이트해 보세요. 업데이트가 성공하여 락을 획득하게 되며, 이때의 쓰레드는 단독 쓰레드인clusiveOwnerThread로 설정된다. 참을 반환합니다.

• 상태가 0이 아닌 경우 스레드가 이미 잠금을 획득했음을 의미합니다. 따라서 잠금을 획득한 스레드(전용 스레드)가 현재 스레드인지 여부를 확인해야 합니다.

• 그렇다면 재입학을 의미합니다. 상태를 1 증가시킵니다. 참을 반환합니다.

• 마지막 단계에서 자물쇠를 못받았어요. false를 반환합니다.

잠금 획득에 실패하면 먼저 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)를 실행하고 현재 스레드를 대기열에 씁니다

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

• 새 노드 노드를 캡슐화합니다.

• 연결 리스트의 끝이 비어 있는지 확인하려면 새 노드 node'를 끝에 씁니다. 연결 리스트의 끝이 비어 있으면 enq(node)를 사용하여 끝에 씁니다.

• 　큐에 쓴 후 acquireQueued() 메서드는 현재 스레드를 일시 중지합니다.

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

루프에서 이전 노드가 헤드 노드이면 다시 잠금 획득을 시도합니다. 성공하면 루프가 종료되고 false가 반환됩니다. 헤드 노드가 아닌 경우 이전 노드의 waitStatus를 기반으로 현재 스레드를 일시 중지해야 하는지 여부를 판단합니다. waitStatus는 노드 취소, 노드 대기 등과 같은 노드 상태를 기록하는 데 사용됩니다.

• 정지해야 한다고 판단되면 parkAndCheckInterrupt() 메소드를 사용하여 스레드를 정지합니다. 특히 LockSupport.park(this)를 사용하여 스레드를 일시 중단합니다.

• 여기서 첫 번째 단계에서 잠금 획득에 성공하면 이 노드에 대한 잠금 획득 작업을 취소할 수 있습니다.

• 불공정 잠금

• 　불공정 잠금은 잠금 획득 전략에 차이가 있습니다.

final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }

불공정 잠금은 먼저 CAS 알고리즘을 사용하여 직접 상태를 업데이트하고 잠금을 획득하려고 시도합니다.

업데이트 실패 후 잠금 획득을 시도한 후

• final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
              final Thread current = Thread.currentThread();
              int c = getState();
              if (c == 0) {
                  if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                      setExclusiveOwnerThread(current);
                      return true;
                  }
              }
              else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                  int nextc = c + acquires;
                  if (nextc < 0) // overflow
                      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                  setState(nextc);
                  return true;
              }
              return false;
          }

• 공정한 잠금과 비교하면 불공정한 잠금이 잠금을 획득하려는 과정에서 대기열에 다른 스레드가 있는지 확인할 필요가 없습니다.

잠금 해제

잠금을 해제하는 단계는 공정한 잠금과 불공정한 잠금에서 동일합니다

public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
//更新state
protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

재진입 잠금이기 때문에 tryRelease() 메서드에서 상태가 잠금이 완전히 해제된 것으로 간주되기 전에 0으로 업데이트되어야 합니다. 해제한 후 정지된 스레드를 깨웁니다.

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