ReentrantLock實現原理及源碼分析

来源:http://www.cnblogs.com/chengxiao/archive/2017/07/29/7255941.html
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ReentrantLock是Java併發包中提供的一個可重入的互斥鎖。ReentrantLock和synchronized在基本用法，行為語義上都是類似的，同樣都具有可重入性。只不過相比原生的Synchronized，ReentrantLock增加了一些高級的擴展功能，比如它可以實現公平鎖，同時也可 ...


　　ReentrantLock是Java併發包中提供的一個可重入的互斥鎖。ReentrantLock和synchronized在基本用法，行為語義上都是類似的，同樣都具有可重入性。只不過相比原生的Synchronized，ReentrantLock增加了一些高級的擴展功能，比如它可以實現公平鎖，同時也可以綁定多個Conditon。

可重入性/公平鎖/非公平鎖

　　可重入性

　　　　所謂的可重入性，就是可以支持一個線程對鎖的重覆獲取，原生的synchronized就具有可重入性，一個用synchronized修飾的遞歸方法，當線程在執行期間，它是可以反覆獲取到鎖的，而不會出現自己把自己鎖死的情況。ReentrantLock也是如此，在調用lock()方法時，已經獲取到鎖的線程，能夠再次調用lock()方法獲取鎖而不被阻塞。那麼有可重入鎖，就有不可重入鎖，我們在之前文章中自定義的一個Mutex鎖就是個不可重入鎖，不過使用場景極少而已。

　　公平鎖/非公平鎖

　　　　所謂公平鎖,顧名思義，意指鎖的獲取策略相對公平，當多個線程在獲取同一個鎖時，必須按照鎖的申請時間來依次獲得鎖，排排隊，不能插隊；非公平鎖則不同，當鎖被釋放時，等待中的線程均有機會獲得鎖。synchronized是非公平鎖，ReentrantLock預設也是非公平的，但是可以通過帶boolean參數的構造方法指定使用公平鎖，但非公平鎖的性能一般要優於公平鎖。

　　synchronized是Java原生的互斥同步鎖，使用方便，對於synchronized修飾的方法或同步塊，無需再顯式釋放鎖。synchronized底層是通過monitorenter和monitorexit兩個位元組碼指令來實現加鎖解鎖操作的。而ReentrantLock做為API層面的互斥鎖，需要顯式地去加鎖解鎖。　

class X {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // ...
 
    public void m() {
      lock.lock();  // 加鎖
      try {
        // ... 函數主題
      } finally {
        lock.unlock() //解鎖
      }
    }
  }

源碼分析

　　接下來我們從源碼角度來看看ReentrantLock的實現原理，它是如何保證可重入性，又是如何實現公平鎖的。

　　ReentrantLock是基於AQS的，AQS是Java併發包中眾多同步組件的構建基礎，它通過一個int類型的狀態變數state和一個FIFO隊列來完成共用資源的獲取，線程的排隊等待等。AQS是個底層框架，採用模板方法模式，它定義了通用的較為複雜的邏輯骨架，比如線程的排隊，阻塞，喚醒等，將這些複雜但實質通用的部分抽取出來，這些都是需要構建同步組件的使用者無需關心的，使用者僅需重寫一些簡單的指定的方法即可（其實就是對於共用變數state的一些簡單的獲取釋放的操作）。

　　上面簡單介紹了下AQS，詳細內容可參考本人的另一篇文章《Java併發包基石-AQS詳解》，此處就不再贅述了。先來看常用的幾個方法，我們從上往下推。

　　無參構造器（預設為公平鎖）

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();//預設是非公平的
    }

　　sync是ReentrantLock內部實現的一個同步組件，它是Reentrantlock的一個靜態內部類，繼承於AQS，後面我們再分析。

　　帶布爾值的構造器（是否公平）

public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();//fair為true，公平鎖；反之，非公平鎖
    }

　　看到了吧，此處可以指定是否採用公平鎖，FailSync和NonFailSync亦為Reentrantlock的靜態內部類，都繼承於Sync。

　　再來看看幾個我們常用到的方法

　　lock()

public void lock() {
        sync.lock();//代理到Sync的lock方法上
    }

　　Sync的lock方法是抽象的，實際的lock會代理到FairSync或是NonFairSync上（根據用戶的選擇來決定，公平鎖還是非公平鎖）

　　lockInterruptibly()

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);//代理到sync的相應方法上，同lock方法的區別是此方法響應中斷
    }

　　此方法響應中斷，當線程在阻塞中的時候，若被中斷，會拋出InterruptedException異常 

　　tryLock()

public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);//代理到sync的相應方法上
    }

　　tryLock，嘗試獲取鎖，成功則直接返回true，不成功也不耽擱時間，立即返回false。

　　unlock()

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

　　釋放鎖，調用sync的release方法，其實是AQS的release邏輯。

 　　newCondition()

　　　　獲取一個conditon，ReentrantLock支持多個Condition

public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

　　其他方法就不再贅述了，若想繼續瞭解可去API中查看。

　　小結

　　其實從上面這寫方法的介紹，我們都能大概梳理出ReentrantLock的處理邏輯，其內部定義了三個重要的靜態內部類，Sync，NonFairSync，FairSync。Sync作為ReentrantLock中公用的同步組件，繼承了AQS（要利用AQS複雜的頂層邏輯嘛，線程排隊，阻塞，喚醒等等）；NonFairSync和FairSync則都繼承Sync，調用Sync的公用邏輯，然後再在各自內部完成自己特定的邏輯（公平或非公平）。

　　接下來，關於如何實現重入性，如何實現公平性，就得去看這幾個靜態內部類了

　　NonFairSync（非公平可重入鎖）

static final class NonfairSync extends Sync {//繼承Sync
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
        /** 獲取鎖 */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))//CAS設置state狀態，若原值是0，將其置為1
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//將當前線程標記為已持有鎖
            else
                acquire(1);//若設置失敗，調用AQS的acquire方法，acquire又會調用我們下麵重寫的tryAcquire方法。這裡說的調用失敗有兩種情況：1當前沒有線程獲取到資源，state為0，但是將state由0設置為1的時候，其他線程搶占資源，將state修改了，導致了CAS失敗；2 state原本就不為0，也就是已經有線程獲取到資源了，有可能是別的線程獲取到資源，也有可能是當前線程獲取的，這時線程又重覆去獲取，所以去tryAcquire中的nonfairTryAcquire我們應該就能看到可重入的實現邏輯了。
        }
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);//調用Sync中的方法
        }
    }

　　nonfairTryAcquire()

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();//獲取當前線程
            int c = getState();//獲取當前state值
            if (c == 0) {//若state為0，意味著沒有線程獲取到資源，CAS將state設置為1，並將當前線程標記我獲取到排他鎖的線程，返回true
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//若state不為0，但是持有鎖的線程是當前線程
                int nextc = c + acquires;//state累加1
                if (nextc < 0) // int類型溢出了
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);//設置state，此時state大於1，代表著一個線程多次獲鎖，state的值即是線程重入的次數
                return true;//返回true，獲取鎖成功
            }
            return false;//獲取鎖失敗了
        }

　　簡單總結下流程：

　　　　1.先獲取state值，若為0，意味著此時沒有線程獲取到資源，CAS將其設置為1，設置成功則代表獲取到排他鎖了；

　　　　2.若state大於0，肯定有線程已經搶占到資源了，此時再去判斷是否就是自己搶占的，是的話，state累加，返回true，重入成功，state的值即是線程重入的次數；

　　　　3.其他情況，則獲取鎖失敗。

　　 來看看可重入公平鎖的處理邏輯

　　FairSync

static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);//直接調用AQS的模板方法acquire，acquire會調用下麵我們重寫的這個tryAcquire
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();//獲取當前線程
            int c = getState();//獲取state值
            if (c == 0) {//若state為0，意味著當前沒有線程獲取到資源，那就可以直接獲取資源了嗎？NO!這不就跟之前的非公平鎖的邏輯一樣了嘛。看下麵的邏輯
                if (!hasQueuedPredecessors() &&//判斷在時間順序上，是否有申請鎖排在自己之前的線程，若沒有，才能去獲取，CAS設置state，並標記當前線程為持有排他鎖的線程；反之，不能獲取！這即是公平的處理方式。
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//重入的處理邏輯，與上文一致，不再贅述
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

　　可以看到，公平鎖的大致邏輯與非公平鎖是一致的，不同的地方在於有了!hasQueuedPredecessors()這個判斷邏輯，即便state為0，也不能貿然直接去獲取，要先去看有沒有還在排隊的線程，若沒有，才能嘗試去獲取，做後面的處理。反之，返回false，獲取失敗。

　　看看這個判斷是否有排隊中線程的邏輯

　　hasQueuedPredecessors()

    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail; // 尾結點
        Node h = head;//頭結點
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());//判斷是否有排在自己之前的線程
    }

　需要註意的是，這個判斷是否有排在自己之前的線程的邏輯稍微有些繞，我們來梳理下，由代碼得知，有兩種情況會返回true，我們將此邏輯分解一下（註意：返回true意味著有其他線程申請鎖比自己早，需要放棄搶占）

　　1. h !=t && (s = h.next) == null，這個邏輯成立的一種可能是head指向頭結點，tail此時還為null。考慮這種情況：當其他某個線程去獲取鎖失敗，需構造一個結點加入同步隊列中（假設此時同步隊列為空），在添加的時候，需要先創建一個無意義傀儡頭結點（在AQS的enq方法中，這是個自旋CAS操作），有可能在將head指向此傀儡結點完畢之後，還未將tail指向此結點。很明顯，此線程時間上優於當前線程，所以，返回true，表示有等待中的線程且比自己來的還早。

　　2.h != t && (s = h.next) != null && s.thread != Thread.currentThread()。同步隊列中已經有若幹排隊線程且當前線程不是隊列的老二結點，此種情況會返回true。假如沒有s.thread !=Thread.currentThread()這個判斷的話，會怎麼樣呢？若當前線程已經在同步隊列中是老二結點（頭結點此時是個無意義的傀儡結點),此時持有鎖的線程釋放了資源，喚醒老二結點線程，老二結點線程重新tryAcquire（此邏輯在AQS中的acquireQueued方法中），又會調用到hasQueuedPredecessors，不加s.thread !=Thread.currentThread()這個判斷的話，返回值就為true，導致tryAcquire失敗。

　　最後，來看看ReentrantLock的tryRelease，定義在Sync中

 protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;//減去1個資源
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //若state值為0，表示當前線程已完全釋放乾凈，返回true，上層的AQS會意識到資源已空出。若不為0，則表示線程還占有資源，只不過將此次重入的資源的釋放了而已，返回false。
            if (c == 0) {
                free = true;//
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

 總結

　　ReentrantLock是一種可重入的，可實現公平性的互斥鎖，它的設計基於AQS框架，可重入和公平性的實現邏輯都不難理解，每重入一次，state就加1，當然在釋放的時候，也得一層一層釋放。至於公平性，在嘗試獲取鎖的時候多了一個判斷：是否有比自己申請早的線程在同步隊列中等待，若有，去等待；若沒有，才允許去搶占。

　　

　　


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