ReentrantLock源码分析
概述
ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，也被称为独占锁。它支持公平锁和非公平锁两种模式。
ReentrantLock的使用方法
下面看一个最初级的例子：
public class Test {
//默认内部采用非公平实现
ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
public void myMethor(){
lock.lock();
//需要加锁的一些操作
//一定要确保unlock能被执行到，尤其是在存在异常的情况下
lock.unlock();
}
}
在进入方法后，在需要加锁的一些操作执行之前需要调用lock方法，在jdk文档中对lock方法详细解释如下：
获得锁。
如果锁没有被另一个线程占用并且立即返回，则将锁定计数设置为1。 如果当前线程已经保持锁定，则保持计数增加1，该方法立即返回。 如果锁被另一个线程保持，则当前线程将被禁用以进行线程调度，并且在锁定已被获取之前处于休眠状态，此时锁定保持计数被设置为1。
这里也很好的解释了什么是可重入锁，如果一个线程已经持有了锁，它再次请求获取自己已经拿到的锁，是能够获取成功的，这就是可重入锁。
在需要加锁的代码执行完毕之后，就会调用unlock释放掉锁。在jdk文档之中对，unlock的解释如下：
尝试释放此锁。
如果当前线程是该锁的持有者，则保持计数递减。 如果保持计数现在为零，则锁定被释放。 如果当前线程不是该锁的持有者，则抛出IllegalMonitorStateException 。
在这里有一个需要注意的地点，lock和unlock都反复提到了一个计数，这主要是因为ReentrantLock是可重入的。每次获取锁（重入）就将计数器加一，每次释放的时候的计数器减一，直到计数器为0，就将锁释放掉了。
以上就是最基础，最简单的使用方法。其余的一些方法，都是一些拓展的功能，查看jdk文档即可知道如何使用。
源码分析
继承体系
可以看出ReentrantLock继承自AQS并实现了Lock接口。它内部有公平锁和非公平锁两种实现，这两种实现都是继承自Sync。根据ReentrantLock决定到底采用公平锁还是非公平锁实现。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
核心方法源码分析
Lock方法
- 首先调用具体的Lock实现.sync可能是非公平锁实现也可能是公平锁实现，这取决于你new对象时的参数。
public void lock() {
sync.lock();
}
我们以非公平锁实现来看下面的下面的代码。
- 非公平锁的lock方法的具体实现如下
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
首先进来就是一个判断，其中判断的条件就是compareAndSetState(0, 1).毫无疑问这是一个CAS。它的意思时如果当前的state的值的为0就将1与其交换（可以理解为将1赋值给0）并返回true。其实在这一步如果state的值修改成功了，那么锁就获取成功了。setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread())这行代码就是将当前线程设置为该排他锁的拥有者。
如果CAS失败了，那么就调用acquire(1);
- 如果初次获得锁失败就调用
qcquire(1)
这个方法的具体实现如下；
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
这个方法进来首先第一步就是调用tryAcquire(arg).
那么该方法是干什么的呢？
非公平锁实际是调用了这个实现：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
它具体的实现是在nonfairTryAcquire(acquires)中。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState(); //获取锁的状态state，这就是前面我们CAS的操作对象
if (c == 0) {
//c==0说明没被其它获取
if (compareAndSetState(0, acquires)) { //CAS修改state
//CAS修改成功，说明获取锁成功，将当前线程设置为该排他锁的拥有者
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//如果锁已经被占有，但是是被当前锁占有的（可重入的具体体现）
//计数器加一
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
//锁被其它线程占有，就返回false
return false;
}
- 第二次尝试获取锁失败后，就进行下一步操作
我们再会过头看void acquire(int arg)首先尝试获取锁，获取成功就直接返回了，获取失败就会执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)进行排队。
这一行代码可以分为两部分看，一部分是addWaiter(Node.EXCLUSIVE)一部分是acquireQueued.我们先看addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
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) {
//队列已经初始化了，就直接入队即可
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node; //返回
}
}
//队列没有初始化，初始化队列并入队
enq(node);
return node;
}
初始化对立对入队的具体实现如下：
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
//初始化队列
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//队列初始化成功，进行入队
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
这里稍微补充一下这个AQS中的这个等待队列。
- 节点也创建了，等待队列也入了
现在该看boolean acquireQueued(final Node node, int arg)方法了。
这个方法的具体实现如下：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); //获取当前节点的先驱节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//如果当前节点的前一个节点是头节点，就会执行tryAcquire(arg)再次尝试获取锁
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
//根据情况进入park状态
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
unlock方法
- 和加锁类似，调用具体的实现
public void unlock() {
sync.release(1);
}
- 具体的release实现
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒等待的线程，可以拿锁了
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
该方法首先就调用了tryRelease(arg)方法，这个方法就是实现释放资源的关键。释放的具体操作，也印证了在jdk文档之中的关于unlock和lock的说明。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; //计算释放后的state的值
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
//如果当前线程没有持有锁，就抛异常
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false; //标记为释放失败
if (c == 0) {
//如果state为0了，说没没有线程占有该锁了
//进行重置所有者
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//重置state的值
setState(c);
return free;
}
- 如果还有线程在等待锁资源，那么就可以唤醒它们了
回到boolean release(int arg)看
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒等待的线程，可以拿锁了
unparkSuccessor(h);
ReentrantLock的高阶使用方法
我们使用synchronized的时候，可以通过wait和notify来让线程等待，和唤醒线程。在ReentrantLock中，我们也可以使用Condition中的await和signal来使线程等待和唤醒。
以下面这段代码来解释：
public class Test {
static ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
//获取到condition
static Condition condition=lock.newCondition();
public static class TaskA implements Runnable{
@Override
public void run() {
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备释放掉锁并等待");
//在此等待，直到其它线程唤醒
condition.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "重新拿到锁并执行");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
public static class TaskB implements Runnable{
@Override
public void run() {
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始唤醒等待的线程");
//唤醒等待的线程
condition.signal();
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "任务执行完毕");
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Thread taskA=new Thread(new TaskA(),"taskA");
Thread taskB=new Thread(new TaskB(),"taskB");
taskA.start();
taskB.start();
}
}
输出结果：
taskA开始执行
taskA准备释放掉锁并等待
taskB开始执行
taskB开始唤醒等待的线程
taskB任务执行完毕
taskA重新拿到锁并执行
现象解释：
首先taskA拿到锁，并执行，到condition.await();释放锁，并进入阻塞。taskB因此拿到刚才taskA释放掉的锁，taskB开始执行。taskB执行到condition.signal();唤醒了taskA，taskB继续执行，taskA因为拿不到锁，因此虽然已经被唤醒了，但是还是要等到taskB执行完毕，释放锁后，才有机会拿到锁，执行自己的代码。
那么这个过程，源码到底是如何实现的呢？
Condition源码分析
await()的源码分析
具体的实现如下：
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter(); //添加一个条件节点
int savedState = fullyRelease(node); //释放掉所有的资源
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
//如果当前线程不在等待队列中，park阻塞
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break; //线程被中断就跳出循环
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
//取消条件队列中已经取消的等待节点的链接
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
//等待结束后处理中断
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
基本的步骤如下：
- 首先判断线程是否被中断，如果中断则抛出
InterruptedException()异常 - 添加当前线程到条件队列中去，然后释放掉所有的资源
- 如果当前线程不在等待队列中，就直接park阻塞当前线程
signal()方法源码分析
具体的实现代码如下：
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
这个方法中最重要的也就是doSignal(first).
它的实现如下：
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null; //解除等待队列中首节点的链接
} while (!transferForSignal(first) && //转移入等待队列
(first = firstWaiter) != null);
}
该方法所做的事情就是从等待队列中移除指定节点，并将其加入等待队列中去。
转移节点的方法实现如下：
final boolean transferForSignal(Node node) {
/*
* If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
*/
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
//CAS修改状态失败，说明节点被取消了，直接返回false
return false;
/*
* Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
* indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
* attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
* case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
*/
Node p = enq(node); //加入节点到等待队列
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
//如果前节点被取消，说明当前为最后一个等待线程，直接unpark唤醒，
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
至此ReentrantLock的源码分析就结束了！
