ReentrantLock 实现原理

使用 synchronize 来做同步处理时，锁的获取和释放都是隐式的，实现的原理是通过编译后加上不同的机器指令来实现。

而 ReentrantLock 就是一个普通的类，它是基于 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)来实现的。

是一个重入锁：一个线程获得了锁之后仍然可以反复的加锁，不会出现自己阻塞自己的情况。

AQS 是 Java 并发包里实现锁、同步的一个重要的基础框架。

锁类型

ReentrantLock 分为公平锁和非公平锁，可以通过构造方法来指定具体类型：

    //默认非公平锁
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    
    //公平锁
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

默认一般使用非公平锁，它的效率和吞吐量都比公平锁高的多(后面会分析具体原因)。

获取锁

通常的使用方式如下:

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void run() {
        lock.lock();
        try {
            //do bussiness
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

公平锁获取锁

首先看下获取锁的过程：

    public void lock() {
        sync.lock();
    }

可以看到是使用 sync的方法，而这个方法是一个抽象方法，具体是由其子类(FairSync)来实现的，以下是公平锁的实现:

        final void lock() {
            acquire(1);
        }
        
        //AbstractQueuedSynchronizer 中的 acquire()
        public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    	}

第一步是尝试获取锁(tryAcquire(arg)),这个也是由其子类实现：

        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;
        }
    }

首先会判断 AQS 中的 state 是否等于 0，0 表示目前没有其他线程获得锁，当前线程就可以尝试获取锁。

注意:尝试之前会利用 hasQueuedPredecessors() 方法来判断 AQS 的队列中中是否有其他线程，如果有则不会尝试获取锁(这是公平锁特有的情况)。

如果队列中没有线程就利用 CAS 来将 AQS 中的 state 修改为1，也就是获取锁，获取成功则将当前线程置为获得锁的独占线程(setExclusiveOwnerThread(current))。

如果 state 大于 0 时，说明锁已经被获取了，则需要判断获取锁的线程是否为当前线程(ReentrantLock 支持重入)，是则需要将 state + 1，并将值更新。

写入队列

如果 tryAcquire(arg) 获取锁失败，则需要用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 将当前线程写入队列中。

写入之前需要将当前线程包装为一个 Node 对象(addWaiter(Node.EXCLUSIVE))。

AQS 中的队列是由 Node 节点组成的双向链表实现的。

包装代码:

    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;
    }

首先判断队列是否为空，不为空时则将封装好的 Node 利用 CAS 写入队尾，如果出现并发写入失败就需要调用 enq(node); 来写入了。

    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

这个处理逻辑就相当于自旋加上 CAS 保证一定能写入队列。

挂起等待线程

写入队列之后需要将当前线程挂起(利用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))：

    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);
        }
    }

首先会根据 node.predecessor() 获取到上一个节点是否为头节点，如果是则尝试获取一次锁，获取成功就万事大吉了。

如果不是头节点，或者获取锁失败，则会根据上一个节点的 waitStatus 状态来处理(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))。

waitStatus 用于记录当前节点的状态，如节点取消、节点等待等。

shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 返回当前线程是否需要挂起，如果需要则调用 parkAndCheckInterrupt()：

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

他是利用 LockSupport 的 part 方法来挂起当前线程的，直到被唤醒。

非公平锁获取锁

公平锁与非公平锁的差异主要在获取锁：

公平锁就相当于买票，后来的人需要排到队尾依次买票，不能插队。

而非公平锁则没有这些规则，是抢占模式，每来一个人不会去管队列如何，直接尝试获取锁。

非公平锁:

        final void lock() {
            //直接尝试获取锁
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

公平锁:

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

还要一个重要的区别是在尝试获取锁时tryAcquire(arg)，非公平锁是不需要判断队列中是否还有其他线程，也是直接尝试获取锁：

        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                //没有 !hasQueuedPredecessors() 判断
                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;
        }

释放锁

公平锁和非公平锁的释放流程都是一样的：

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
            	   //唤醒被挂起的线程
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    //尝试释放锁
    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;
    }        

首先会判断当前线程是否为获得锁的线程，由于是重入锁所以需要将 state 减到 0 才认为完全释放锁。

释放之后需要调用 unparkSuccessor(h) 来唤醒被挂起的线程。

总结

由于公平锁需要关心队列的情况，得按照队列里的先后顺序来获取锁(会造成大量的线程上下文切换)，而非公平锁则没有这个限制。

所以也就能解释非公平锁的效率会被公平锁更高。

号外

最近在总结一些 Java 相关的知识点，感兴趣的朋友可以一起维护。

地址: https://github.com/crossoverJie/Java-Interview