ReentrantLock加锁与解锁及相关API的详细流程
下面是ReentrantLock非公平锁加锁流程：
final void lock() {
//调用CAS尝试获取锁
if (compareAndSetState(0, 1))
//尝试成功则修改当前拥有锁的线程是自己
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//获取失败
acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
//tryAcquire：尝试获取锁，加取反则表示获取失败后执行&&后面的方法
//addWaiter：将当前线程封装为Node后添加到同步队列尾部
//acquireQueued：线程入队后再次尝试获取锁或者阻塞
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//非公平的尝试获取锁
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前锁状态
int c = getState();
//如果锁空闲
if (c == 0) {
//调用CAS尝试获取锁
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//尝试成功则修改当前拥有锁的线程是自己
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果锁仍被持有而且持有锁的线程是自己
//这里体现了ReentrantLock的可重入性
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
//锁状态state不能为负值
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//修改state，不使用CAS是因为此时不可能有其他线程可以修改state
setState(nextc);
return true;
}
//获取锁失败
return false;
}
private Node addWaiter(Node mode) {
//给当前线程新建Node结点，mode表示是排它锁还是共享锁
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//pred指向尾结点
Node pred = tail;
//如果尾结点不为空，意味着队列已经被初始化
//但不一定有线程在队列中等待，因为队列的头结点对应的线程永远是null
if (pred != null) {
//让新建的结点的前驱结点指向尾结点
node.prev = pred;
//调用CAS尝试修改新建结点为尾结点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
//尝试成功则设置原来的尾结点的后继结点指向新建结点
//如果修改失败则意味着此时有其他线程加入队列且修改了尾结点
pred.next = node;
return node;
}
}
//如果队列还没有被初始化或者上面的CAS失败则调用enq
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
//死循环即自旋，保证了所有进入此方法的结点都能被正确的添加到队列中
for (;;) {
//t指向尾结点
Node t = tail;
//如果尾结点为空则意味着队列还没有被初始化
if (t == null) { // Must initialize
//调用CAS尝试新建线程为null的结点作为头结点
if (compareAndSetHead(new Node()))
//尝试成功则将尾结点也指向头结点，失败则进入下一次自旋
tail = head;
} else { //如果队列已经被初始化
//让新建结点的前驱结点指向尾结点
node.prev = t;
//调用CAS尝试修改新建结点为尾结点
if (compareAndSetTail(t, node)) {
//尝试成功则设置原来的尾结点的后继结点指向新建结点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
//线程尝试获取锁失败且成功入队后进入此方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//获取锁失败的标识
boolean failed = true;
try {
//被中断的标识
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//p指向新建结点的前驱结点
final Node p = node.predecessor();
//如果p是头结点即node是队列中第一个等待的线程
//则再次调用tryAcquire尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取成功则设置当前结点为头结点（对应线程永远为null）
setHead(node);
//设置原来的头结点的后继节点为null，那么该结点不再
//被任何地方引用也不再引用任何其他对象，由GC负责回收
p.next = null; // help GC
//获取锁成功标识
failed = false;
//这里返回false则表示线程没有被申请中断
return interrupted;
}
//shouldParkAfterFailedAcquire：判断当前线程是否应该被挂起
//parkAndCheckInterrupt：挂起线程，清空线程的中断标识并返回
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取node的前驱结点pred的状态标识
//SIGNAL值为-1，标识该结点的后继结点需要被唤醒
//CANCELLED值为1，标识该结点被终止，不再参与锁竞争
int ws = pred.waitStatus;
//如果node的前驱结点pred的状态标识为SIGNAL
if (ws == Node.SIGNAL)
//可以被挂起
return true;
//如果node的前驱结点pred的状态标识为CANCELLED
if (ws > 0) {
//队列从后往前清除状态标识为CANCELLED的结点
do {
//这是第一个可能删除结点的地方
//从后往前直到第一个SIGNAL结点间的所有CANCELLED结点被删除
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
//设置前驱结点pred的后继结点为当前结点node
pred.next = node;
} else {
//若前驱结点pred的状态标识为初始状态则修改为SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
//暂时不能被挂起
return false;
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//系统调用挂起线程，线程在这里真正被阻塞
//从这里被唤醒有两种可能：一是unpark()，二是interrupt()
LockSupport.park(this);
//清除线程中断标识并返回
return Thread.interrupted();
}
下面是ReentrantLock解锁流程：
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
//尝试释放当前锁
if (tryRelease(arg)) {
//h指向头结点
Node h = head;
//如果队列非空且头结点的状态标识为SIGNAL
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒头结点的后继结点
unparkSuccessor(h);
//释放成功
return true;
}
//释放失败，意味着该锁被重入了，释放次数<加锁次数
return false;
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//获取锁状态state并减去要释放的数量即1
int c = getState() - releases;
//如果释放锁的线程不是拥有锁的线程则抛异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//如果释放一次锁后锁状态变为空闲
if (c == 0) {
free = true;
//修改当前拥有锁的线程为null
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//修改锁状态为0即空闲
setState(c);
return free;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
//获取当前结点的状态标识，此时可能为SIGNAL或者CANCELLED
//如果为CANCELLED意味着node已经被唤醒但发现自己被中断需要继续往后唤醒新的结点
int ws = node.waitStatus;
//如果当前结点状态标识为SIGNAL
if (ws < 0)
//调用CAS修改当前结点状态标识为0即初始状态
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//s指向当前结点的后继结点
Node s = node.next;
//如果队列中没有等待的线程或者s的状态标识为CANCELLED
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
//队列从后往前找到最后一个（也就是从前往后第一个）
//状态标识不是CANCELLED的结点，且不能是当前结点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
//如果队列中有等待被唤醒的线程
if (s != null)
//系统调用唤醒第一个等待的线程
//被阻塞的线程会在parkAndCheckInterrupt()中继续向下执行
LockSupport.unpark(s.thread);
}
下面是ReentrantLock可中断获取锁的流程：
//当某个线程调用该方法去获取锁却被阻塞时，可以响应中断标识
//而传统的synchronized无法实现让因为锁竞争被阻塞的线程去响应中断标识
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
//如果线程中断标识为true，则清空标识并返回中断异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//如果尝试获取锁失败
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
//给当前线程新建结点并入队
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
//获取锁失败的标识
boolean failed = true;
try {
//自旋的大部分操作与正常lock一致
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
//与正常lock的流程在这里仅修改被中断标识不同
//抛出中断异常从而实现可中断的获取锁
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
//获取锁失败，意味着线程被唤醒后发现自己中断标识为true
if (failed)
//让自己不再参与锁竞争
cancelAcquire(node);
}
}
private void cancelAcquire(Node node) {
//保险起见？
if (node == null)
return;
//修改当前结点对应线程为null
node.thread = null;
//跳过状态标识为CANCELLED的前驱结点
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
//predNext指向前驱结点的后继结点，给CAS作为旧值使用
Node predNext = pred.next;
//修改当前结点的状态标识为CANCELLED
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
//如果当前结点是尾结点，则删除自身
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
int ws;
//如果前驱结点不是头结点且对应线程不为null，而且状态标识为SIGNAL
//或者状态标识为CONDITION则调用CAS设置为SIGNAL且修改成功
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
//如果后继结点不为空且状态标识不为CANCELLED
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
//CAS在队列中删除自身节点
//这是第二个可能删除结点的地方，且只删除自身
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
//如果我是第一个等待的结点那么还需向后唤醒被阻塞的线程
//这里说明了一个点：当一个线程被unpark()时不一定是锁资源被释放
//也可能是队列第一个等待的线程响应了中断或者获取锁超时
unparkSuccessor(node);
}
//删除自身指向其他其他结点的引用
node.next = node; // help GC
}
}
下面是ReentrantLock定时获取锁的流程：
//这里调用的nonfairTryAcquire只会尝试获取一次直接返回
public boolean tryLock() {
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
//定时获取锁
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
//定时获取锁也可以响应中断
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//尝试获取一次锁，失败则调用doAcquireNanos
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
//定时必须大于0（即使小于0也可能在上面的方法中获取到锁...）
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
//记录终止时间
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
//给当前线程新建Node结点并入队
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
//p指向当前结点的前驱结点
final Node p = node.predecessor();
//如果前驱结点是头结点则有机会再尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取成功则修改头结点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
//计算还剩多少时间可以尝试
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
//小于等于0则表示到时间了但仍未获取到锁
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
//如果可以挂起且剩余时间大于最小阈值
//最小阈值可以避免让系统挂起后马上又要超时唤醒
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
//在剩余时间内持续挂起，在这里被唤醒有三种情况：
//1.unpark()唤醒，此时锁变为空闲进入下一次自旋
//2.interrupt()唤醒，表示被中断，抛异常
//3.挂起时间结束，则进入下一次自旋
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
//如果获取锁失败（超时或被中断），则清除自身
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
公平锁和非公平锁不一样的地方（仅加锁的时候有一点区别）：
//非公平锁的lock()方法
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
//公平锁的lock()方法，可以看到非公平锁在这里多尝试了一次获取锁
final void lock() {
acquire(1);
}
//非公平锁的tryAcquire()方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
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;
}
//公平锁的tryAcquire()方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
//区别在这里，当线程尝试直接获取锁时如果锁是空闲的
//那么还要调用hasQueuedPredecessors判断自己是否需要排队
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;
}
//注意上面调用这个方法的前面有取反运算符
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
//获取头结点和尾结点
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
//如果h==t意味着队列还未初始化或者队列中没有线程等待，直接返回false
//如果队列中头结点的后继结点不为空且对应着另外的线程，那么我就需要排队
//如果s的状态标识为CANCELLED也需要往后排队，当调用cancelAcquire(s)时会向后传播从而唤醒自己
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
值得注意的点：不管是哪种方式去获取锁，底层需要阻塞线程时使用的都是park()方法或者parkNanos()方法，它们都是会响应中断的。这就意味着即使是普通的lock()方法获取锁，当线程A因为拿不到锁被阻塞时，此时线程B调用A.interrupt()那么A也会被唤醒，但是并没有进行中断处理，而是清除A的中断标识并记录然后继续让A去尝试并争抢锁，当A拿到锁返回时再去调用A.interrupt()。而可中断获取锁和定时获取锁在这里都是抛出了中断异常，故它俩都属于可中断获取锁的类型。
