深刻理解ReentrantLock的实现原理

时间 2019-11-08 标签深刻理解 reentrantlock 实现原理

ReentrantLock简介

ReentrantLock是Java在JDK1.5引入的显式锁，在实现原理和功能上都和内置锁(synchronized)上都有区别，在文章最后咱们再比较这两个锁。
首先咱们要知道ReentrantLock是基于AQS实现的，因此咱们得对AQS有所了解才能更好的去学习掌握ReentrantLock，关于AQS的介绍能够参考我以前写的一篇文章《一文带你快速掌握AQS》，这里简单回顾下AQS。java

AQS回顾

AQS即AbstractQueuedSynchronizer的缩写，这个是个内部实现了两个队列的抽象类，分别是同步队列和条件队列。其中同步队列是一个双向链表，里面储存的是处于等待状态的线程，正在排队等待唤醒去获取锁，而条件队列是一个单向链表，里面储存的也是处于等待状态的线程，只不过这些线程唤醒的结果是加入到了同步队列的队尾，AQS所作的就是管理这两个队列里面线程之间的等待状态-唤醒的工做。
在同步队列中，还存在2中模式，分别是独占模式和共享模式，这两种模式的区别就在于AQS在唤醒线程节点的时候是否是传递唤醒，这两种模式分别对应独占锁和共享锁。
AQS是一个抽象类，因此不能直接实例化，当咱们须要实现一个自定义锁的时候能够去继承AQS而后重写获取锁的方式和释放锁的方式还有管理state，而ReentrantLock就是经过重写了AQS的tryAcquire和tryRelease方法实现的lock和unlock。node

ReentrantLock原理

经过前面的回顾，是否是对ReentrantLock有了必定的了解了，ReentrantLock经过重写锁获取方式和锁释放方式这两个方法实现了公平锁和非公平锁，那么ReentrantLock是怎么重写的呢，这也就是本节须要探讨的问题。编程

ReentrantLock结构

首先 ReentrantLock继承自父类 Lock，而后有 3个内部类，其中 Sync内部类继承自 AQS，另外的两个内部类继承自 Sync，这两个类分别是用来 公平锁和非公平锁的。
经过 Sync重写的方法 tryAcquire、 tryRelease能够知道， ReentrantLock实现的是AQS的独占模式，也就是独占锁，这个锁是悲观锁。

ReentrantLock有个重要的成员变量：bash

private final Sync sync;
复制代码

这个变量是用来指向Sync的子类的，也就是FairSync或者NonfairSync，这个也就是多态的父类引用指向子类，具体Sycn指向哪一个子类，看构造方法：并发

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

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

ReentrantLock有两个构造方法，无参构造方法默认是建立非公平锁，而传入true为参数的构造方法建立的是公平锁。ide

非公平锁的实现原理

当咱们使用无参构造方法构造的时候即ReentrantLock lock = new ReentrantLock()，建立的就是非公平锁。post

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

//或者传入false参数 建立的也是非公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
复制代码

lock方法获取锁

lock方法调用CAS方法设置state的值，若是state等于指望值0(表明锁没有被占用)，那么就将state更新为1(表明该线程获取锁成功)，而后执行setExclusiveOwnerThread方法直接将该线程设置成锁的全部者。若是CAS设置state的值失败，即state不等于0，表明锁正在被占领着，则执行acquire(1)，即下面的步骤。
nonfairTryAcquire方法首先调用getState方法获取state的值，若是state的值为0(以前占领锁的线程恰好释放了锁)，那么用CAS这是state的值，设置成功则将该线程设置成锁的全部者，而且返回true。若是state的值不为0，那就调用getExclusiveOwnerThread方法查看占用锁的线程是否是本身，若是是的话那就直接将state + 1，而后返回true。若是state不为0且锁的全部者又不是本身，那就返回false，而后线程会进入到同步队列中。

final void lock() {
    //CAS操做设置state的值
    if (compareAndSetState(0, 1))
        //设置成功 直接将锁的全部者设置为当前线程 流程结束
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        //设置失败 则进行后续的加入同步队列准备
        acquire(1);
}

public final void acquire(int arg) {
    //调用子类重写的tryAcquire方法 若是tryAcquire方法返回false 那么线程就会进入同步队列
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

//子类重写的tryAcquire方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //调用nonfairTryAcquire方法
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //若是状态state=0，即在这段时间内 锁的全部者把锁释放了 那么这里state就为0
    if (c == 0) {
        //使用CAS操做设置state的值
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            //操做成功 则将锁的全部者设置成当前线程 且返回true，也就是当前线程不会进入同步
            //队列。
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //若是状态state不等于0，也就是有线程正在占用锁，那么先检查一下这个线程是否是本身
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //若是线程就是本身了，那么直接将state+1，返回true，不须要再获取锁 由于锁就在本身
        //身上了。
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    //若是state不等于0，且锁的全部者又不是本身，那么线程就会进入到同步队列。
    return false;
}
复制代码

tryRelease锁的释放

判断当前线程是否是锁的全部者，若是是则进行步骤2，若是不是则抛出异常。
判断这次释放锁后state的值是否为0，若是是则表明锁有没有重入，而后将锁的全部者设置成null且返回true，而后执行步骤3，若是不是则表明锁发生了重入执行步骤4。
如今锁已经释放完，即state=0，唤醒同步队列中的后继节点进行锁的获取。
锁尚未释放完，即state!=0，不唤醒同步队列。

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

public final boolean release(int arg) {
    //子类重写的tryRelease方法，须要等锁的state=0，即tryRelease返回true的时候，才会去唤醒其
    //它线程进行尝试获取锁。
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
    
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //状态的state减去releases
    int c = getState() - releases;
    //判断锁的全部者是否是该线程
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        //若是所的全部者不是该线程 则抛出异常 也就是锁释放的前提是线程拥有这个锁，
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    //若是该线程释放锁以后 状态state=0，即锁没有重入，那么直接将将锁的全部者设置成null
    //而且返回true，即表明能够唤醒其余线程去获取锁了。若是该线程释放锁以后state不等于0，
    //那么表明锁重入了，返回false，表明锁还未正在释放，不用去唤醒其余线程。
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}
复制代码

公平锁的实现原理

lock方法获取锁

获取状态的state的值，若是state=0即表明锁没有被其它线程占用(可是并不表明同步队列没有线程在等待)，执行步骤2。若是state!=0则表明锁正在被其它线程占用，执行步骤3。
判断同步队列是否存在线程(节点)，若是不存在则直接将锁的全部者设置成当前线程，且更新状态state，而后返回true。
判断锁的全部者是否是当前线程，若是是则更新状态state的值，而后返回true，若是不是，那么返回false，即线程会被加入到同步队列中

经过步骤2实现了锁获取的公平性，即锁的获取按照先来先得的顺序，后来的不能抢先获取锁，非公平锁和公平锁也正是经过这个区别来实现了锁的公平性。学习

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

public final void acquire(int arg) {
    //同步队列中有线程 且 锁的全部者不是当前线程那么将线程加入到同步队列的尾部，
    //保证了公平性，也就是先来的线程先得到锁，后来的不能抢先获取。
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //判断状态state是否等于0，等于0表明锁没有被占用，不等于0则表明锁被占用着。
    if (c == 0) {
        //调用hasQueuedPredecessors方法判断同步队列中是否有线程在等待，若是同步队列中没有
        //线程在等待 则当前线程成为锁的全部者，若是同步队列中有线程在等待，则继续往下执行
        //这个机制就是公平锁的机制，也就是先让先来的线程获取锁，后来的不能抢先获取。
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //判断当前线程是否为锁的全部者，若是是，那么直接更新状态state，而后返回true。
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    //若是同步队列中有线程存在 且 锁的全部者不是当前线程，则返回false。
    return false;
}
复制代码

tryRelease锁的释放

公平锁的释放和非公平锁的释放同样，这里就不重复。
公平锁和非公平锁的公平性是在获取锁的时候体现出来的，释放的时候都是同样释放的。ui

lockInterruptibly可中断方式获取锁

ReentrantLock相对于Synchronized拥有一些更方便的特性，好比能够中断的方式去获取锁。this

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    sync.acquireInterruptibly(1);
}

public final void acquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    //若是当前线程已经中断了，那么抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //若是当前线程仍然未成功获取锁，则调用doAcquireInterruptibly方法，这个方法和
    //acquireQueued方法没什么区别，就是线程在等待状态的过程当中，若是线程被中断，线程会
    //抛出异常。
    if (!tryAcquire(arg))
        doAcquireInterruptibly(arg);
}
复制代码

tryLock超时等待方式获取锁

ReentrantLock除了能以能中断的方式去获取锁，还能够以超时等待的方式去获取锁，所谓超时等待就是线程若是在超时时间内没有获取到锁，那么就会返回false，而不是一直"死循环"获取。

判断当前节点是否已经中断，已经被中断过则抛出异常，若是没有被中断过则尝试获取锁，获取失败则调用doAcquireNanos方法使用超时等待的方式获取锁。
将当前节点封装成独占模式的节点加入到同步队列的队尾中。
进入到"死循环"中，可是这个死循环是有个限制的，也就是当线程达到超时时间了仍未得到锁，那么就会返回false，结束循环。这里调用的是LockSupport.parkNanos方法，在超时时间内没有被中断，那么线程会从超时等待状态转成了就绪状态，而后被CPU调度继续执行循环，而这时候线程已经达到超时等到的时间，返回false。

LockSuport的方法能响应Thread.interrupt，可是不会抛出异常

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    //若是当前线程已经中断了  则抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //再尝试获取一次 若是不成功则调用doAcquireNanos方法进行超时等待获取锁
    return tryAcquire(arg) ||
        doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}

private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    //计算超时的时间 即当前虚拟机的时间+设置的超时时间
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    //调用addWaiter将当前线程封装成独占模式的节点 而且加入到同步队列尾部
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            //若是当前节点的前驱节点为头结点 则让当前节点去尝试获取锁。
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //当前节点获取锁成功 则将当前节点设置为头结点，而后返回true。
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return true;
            }
            //若是当前节点的前驱节点不是头结点 或者 当前节点获取锁失败，
            //则再次判断当前线程是否已经超时。
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            //调用shouldParkAfterFailedAcquire方法，告诉当前节点的前驱节点 我要进入
            //等待状态了，到我了记得喊我，即作好进入等待状态前的准备。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                //调用LockSupport.parkNanos方法，将当前线程设置成超时等待的状态。
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
复制代码

ReentrantLock的等待/通知机制

咱们知道关键字Synchronized + Object的wait和notify、notifyAll方法能实现等待/通知机制，那么ReentrantLock是否也能实现这样的等待/通知机制，答案是：能够。
ReentrantLock经过Condition对象，也就是条件队列实现了和wait、notify、notifyAll相同的语义。线程执行condition.await()方法，将节点1从同步队列转移到条件队列中。

线程执行condition.signal()方法，将节点1从条件队列中转移到同步队列。

由于只有在同步队列中的线程才能去获取锁，因此经过Condition对象的wait和signal方法能实现等待/通知机制。
代码示例：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
public void await() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println("线程获取锁----" + Thread.currentThread().getName());
        condition.await(); //调用await()方法 会释放锁，和Object.wait()效果同样。
        System.out.println("线程被唤醒----" + Thread.currentThread().getName());
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        lock.unlock();
        System.out.println("线程释放锁----" + Thread.currentThread().getName());
    }
}

public void signal() {
    try {
        Thread.sleep(1000);  //休眠1秒钟 等等一个线程先执行
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    lock.lock();
    try {
        System.out.println("另一个线程获取到锁----" + Thread.currentThread().getName());
        condition.signal();
        System.out.println("唤醒线程----" + Thread.currentThread().getName());
    } finally {
        lock.unlock();
        System.out.println("另一个线程释放锁----" + Thread.currentThread().getName());
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Test t = new Test();
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            t.await();
        }
    });

    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            t.signal();
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();
}
复制代码

运行输出：

线程获取锁----Thread-0
另一个线程获取到锁----Thread-1
唤醒线程----Thread-1
另一个线程释放锁----Thread-1
线程被唤醒----Thread-0
线程释放锁----Thread-0
复制代码

执行的流程大概是这样，线程t1先获取到锁，输出了"线程获取锁----Thread-0"，而后线程t1调用await方法，调用这个方法的结果就是线程t1释放了锁进入等待状态，等待唤醒，接下来线程t2获取到锁，然输出了"另一个线程获取到锁----Thread-1"，同时线程t2调用signal方法，调用这个方法的结果就是唤醒一个在条件队列(Condition)的线程，而后线程t1被唤醒，而这个时候线程t2并无释放锁，线程t1也就无法得到锁，等线程t2继续执行输出"唤醒线程----Thread-1"以后线程t2释放锁且输出"另一个线程释放锁----Thread-1"，这时候线程t1得到锁，继续往下执行输出了线程被唤醒----Thread-0，而后释放锁输出"线程释放锁----Thread-0"。

若是想单独唤醒部分线程应该怎么作呢？这时就有必要使用多个Condition对象了，由于ReentrantLock支持建立多个Condition对象，例如：

//为了减小篇幅 仅给出伪代码
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
Condition condition1 = lock.newCondition();

//线程1 调用condition.await() 线程进入到条件队列
condition.await();

//线程2 调用condition1.await() 线程进入到条件队列
condition1.await();

//线程32 调用condition.signal() 仅唤醒调用condition中的线程，不会影响到调用condition1。
condition1.await();
复制代码

这样就实现了部分唤醒的功能。

ReentrantLock和Synchronized对比

关于Synchronized的介绍能够看《synchronized的使用（一）》、《深刻分析synchronized原理和锁膨胀过程(二)》

	ReentrantLock	Synchronized
底层实现	经过`AQS`实现	经过`JVM`实现，其中`synchronized`又有多个类型的锁，除了重量级锁是经过`monitor`对象(操做系统mutex互斥原语)实现外，其它类型的经过对象头实现。
是否可重入	是	是
公平锁	是	否
非公平锁	是	是
锁的类型	悲观锁、显式锁	悲观锁、隐式锁(内置锁)
是否支持中断	是	否
是否支持超时等待	是	否
是否自动获取/释放锁	否	是

参考

《Java并发编程的艺术》
深刻理解AbstractQueuedSynchronizer(AQS)
Java 重入锁 ReentrantLock 原理分析)

原文地址：ddnd.cn/2019/03/24/…