Java并发--ReentrantLock原理详解
ReentrantLock是什么？
- ReentrantLock重入锁，递归无阻塞的同步机制，实现了Lock接口；
- 能够对共享资源重复加锁，即当前线程获取该锁，再次获取不会被阻塞；
- 支持公平锁和非公平锁。
UML图
- 公平锁
2.非公平锁
问题：
- 重入性的实现原理；
- 公平和非公平锁。
ReentrantLock的使用
//非公平锁 ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); lock.lock(); //lock方法： public void lock() { sync.lock(); }
注释：
- Sync为ReentrantLock里面的一个内部类，它继承AQS（AbstractQueuedSynchronizer），它有两个子类：公平锁FairSync和非公平锁NonfairSync。
- ReentrantLock里面大部分的功能都是委托给Sync来实现的，同时Sync内部定义了lock()抽象方法由其子类去实现，默认实现了nonfairTryAcquire(int acquires)方法，可以看出它是非公平锁的默认实现方式。下面我们看非公平锁的lock()方法：
final void lock() { //尝试获取锁 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else //获取失败，调用AQS的acquire(int arg)方法 acquire(1); }
- 首先会第一次尝试快速获取锁，如果获取失败，则调用acquire(int arg)方法，该方法定义在AQS中，如下：
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
- 这个方法首先调用tryAcquire(int arg)方法，在AQS中讲述过，tryAcquire(int arg)需要自定义同步组件提供实现，非公平锁实现如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { //当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //获取同步状态 int c = getState(); //state == 0,表示没有该锁处于空闲状态 if (c == 0) { //获取锁成功，设置为当前线程所有 if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //线程重入 //判断锁持有的线程是否为当前线程 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
- 获取同步锁后，使用完毕则需要释放锁，ReentrantLock提供了unlock释放锁：
public void unlock() { sync.release(1); }
- unlock内部使用Sync的release(int arg)释放锁，release(int arg)是在AQS中定义的：
public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
- 与获取同步状态的acquire(int arg)方法相似，释放同步状态的tryRelease(int arg)同样是需要自定义同步组件自己实现：
protected final boolean tryRelease(int releases) { //减掉releases int c = getState() - releases; //如果释放的不是持有锁的线程，抛出异常 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; //state == 0 表示已经释放完全了，其他线程可以获取同步状态了 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; }
只有当同步状态彻底释放后该方法才会返回true。当state == 0 时，则将锁持有线程设置为null，free= true，表示释放成功。
重入性的实现原理
- 在线程获取锁时，如果已经获取锁的线程是当前线程，则直接再次获取成功；
- 锁会被获取n次，只有锁在被释放同样n次之后，该锁才会被完全释放。
重入锁--非公平锁--加锁的实现原理
/** * Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in * subclasses, but both need nonfair tryfor trylock method. */ final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // 如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取 if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //如果该锁被占有，检查占有线程是否是当前线程 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //如果是当前线程，再次获取，计数加一 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }
注释：如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取，如果该锁被占有，检查占有线程是否是当前线程，如果是的话，同步状态加一并返回true。
重入锁--非公平锁--解锁的实现原理
源代码java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync#nonfairTryAcquire
protected final boolean tryRelease(int releases) { //当前线程的同步状态减一 int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { //只用同步状态为0的时候，锁才能释放成功，返回true free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } //当锁未完全释放，返回false setState(c); return free; }
注释：
当前线程的同步状态减一, 只用同步状态为0的时候，锁才能释放成功，返回true, 当锁未完全释放，返回false。
公平性锁
锁的获取顺序符合请求上的绝对时间顺序，满足FIFO，
- ReentrantLock的构造方法，无参时是构造非公平锁，源码为：
/** * Creates an instance of {@code ReentrantLock}. * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}. */ public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); }
- ReentrantLock的构造方法，带boolean参数，可传入一个boolean值，true时为公平锁，false时为非公平锁，源码为：
/** * Creates an instance of {@codeReentrantLock} with the * given fairness policy. * * @paramfair {@codetrue} ifthis lock should use a fair ordering policy */ public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); }
重入锁--公平锁--加锁的实现原理
源代码：java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.FairSync#tryAcquire
/** * Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless * recursive call or no waiters or is first. */ 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; }
注释：
public final boolean hasQueuedPredecessors() { Node t = tail; //尾节点 Node h = head; //头节点 Node s; //头节点 != 尾节点 //同步队列第一个节点不为null //当前线程是同步队列第一个节点 return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); } //该方法主要做一件事情：主要是判断当前线程是否位于CLH同步队列中的第一个。如果是则返回true，否则返回false。
- 代码和非公平锁基本一直，唯一的不同在于增加了hasQueuedPredecessors的逻辑判断。该方法用来判断当前节点在同步队列中是否有前驱节点。如果有前驱节点说明有线程比当前线程更早的请求资源，根据公平性，当前线程请求资源失败。如果当前节点没有前驱节点，猜能够做后面的逻辑判断，
- 公平锁每次都是从同步队列中的对一个节点获取到锁，而非公平性锁则不一定，有可能刚释放锁的线程能够再次获取到锁。
公平锁和非公平锁的比较
- 公平锁每次获取到锁为同步队列中的第一个节点，保证请求资源时间上的绝对顺序，而非公平锁有可能刚释放锁的线程下次继续获取该锁，则有可能导致其他线程永远无法获取到锁，造成“饥饿”现象。
- 公平锁为了保证时间上的绝对顺序，需要频繁的上下文切换，而非公平锁会降低一定的上下文切换，降低性能开销。因此，ReentrantLock默认选择的是非公平锁，则是为了减少一部分上下文切换，保证了系统更大的吞吐量。
参考链接：
