简介
说明
本文介绍Java的JUC中的ReentrantLock（可重入独占式锁）。包括：用法、原理。
概述
ReentrantLock主要利用AQS队列来实现。它支持公平锁和非公平锁。
AQS队列使用了CAS，所以ReentrantLock有CAS的优缺点。优点：性能高。缺点：CPU占用高。
ReentrantLock的流程
- state初始化为0，表示未锁定状态
- A线程lock()时，会调用tryAcquire()获取锁并将state+1
- 其他线程tryAcquire获取锁会失败，直到A线程unlock() 到state=0，其他线程才有机会获取该锁。
- A释放锁之前，自己可以重复获取此锁（state累加），这就是可重入的概念。
注意：获取多少次锁就要释放多少次锁，保证state能回到0。
示例
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void test(){
lock.lock();
try{
doSomeThing();
}catch (Exception e){
// ignored
}finally {
lock.unlock();
}
}
公平与非公平
ReentrantLock的默认实现是非公平锁，但是也可以设置为公平锁。
- 非公平锁
- 如果同时还有另一个线程进来尝试获取，那么有可能会让这个线程抢先获取；
- 公平锁
- 如果同时还有另一个线程进来尝试获取，当它发现自己不是在队首的话，就会排到队尾，由队首的线程获取到锁。
ReentrantLock提供了两个构造器，分别是
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
NonfairSync的lock()方法
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
首先用一个CAS操作，判断state是否是0（表示当前锁未被占用），如果是0则把它置为1，并且设置当前线程为该锁的独占线程，表示获取锁成功。当多个线程同时尝试占用同一个锁时，CAS操作只能保证一个线程操作成功，剩下的只能去排队啦。
“非公平”即体现在这里，如果占用锁的线程刚释放锁，state置为0，而排队等待锁的线程还未唤醒时，新来的线程就直接抢占了该锁，那么就“插队”了。
FairSync的lock()方法
final void lock() {
acquire(1);
}
直接调用acquire(1)方法。
非公平锁lock()原理
场景
简述：A线程获得锁，B和C线程失败，B和C执行acquire(1);
本处以非公平锁（NonfairSync）示例进行讲解，假设有如下场景：有三个线程去竞争锁，假设线程A的CAS操作成功了，拿到了锁开开心心的返回了，那么线程B和C则设置state失败，走到了else里面。
NonfairSync的lock()方法
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
acquire()方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
（1）尝试获得锁
简述：尝试去获取锁。如果尝试获取锁成功，方法直接返回。
非公平锁tryAcquire的流程是：
- 检查state字段；
- 若为0：表示锁未被占用，那么尝试占用；
若不为0：检查当前锁是否被自己占用，若是，则state+1（重入锁的次数）。 - 若以上两点都失败，则获取锁失败，返回false。
tryAcquire(arg)
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取state变量值
int c = getState();
if (c == 0) { //没有线程占用锁
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//占用锁成功,设置独占线程为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //当前线程已经占用该锁
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 更新state值为新的重入次数
setState(nextc);
return true;
}
//获取锁失败
return false;
}
（2）入队
由于上文中提到线程A已经占用了锁，所以B和C执行tryAcquire失败，并且入等待队列（acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))）。如果线程A拿着锁死死不放，那么B和C就会被挂起。
先看下入队的过程。先看addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
/**
* 将新节点和当前线程关联并且入队列
* @param mode 独占/共享
* @return 新节点
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
//初始化节点,设置关联线程和模式(独占 or 共享)
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取尾节点引用
Node pred = tail;
// 尾节点不为空,说明队列已经初始化过
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 设置新节点为尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 尾节点为空,说明队列还未初始化,需要初始化head节点并入队新节点
enq(node);
return node;
}
B、C线程同时尝试入队列，由于队列尚未初始化，tail==null，故至少会有一个线程会走到enq(node)。我们假设同时走到了enq(node)里。
/**
* 初始化队列并且入队新节点
*/
private Node enq(final Node node) {
//开始自旋
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
// 如果tail为空,则新建一个head节点,并且tail指向head
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
// tail不为空,将新节点入队
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
这里体现了经典的自旋+CAS组合来实现非阻塞的原子操作。由于compareAndSetHead的实现使用了unsafe类提供的CAS操作，所以只有一个线程会创建head节点成功。假设线程B成功，之后B、C开始第二轮循环，此时tail已经不为空，两个线程都走到else里面。假设B线程compareAndSetTail成功，那么B就可以返回了，C由于入队失败还需要第三轮循环。最终所有线程都可以成功入队。
当B、C入等待队列后，此时AQS队列如下：
（3）挂起
B和C相继执行acquireQueued(final Node node, int arg)。这个方法让已经入队的线程尝试获取锁，若失败则会被挂起。
/**
* 已经入队的线程尝试获取锁
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true; //标记是否成功获取锁
try {
boolean interrupted = false; //标记线程是否被中断过
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); //获取前驱节点
//如果前驱是head,即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node); // 获取成功,将当前节点设置为head节点
p.next = null; // 原head节点出队,在某个时间点被GC回收
failed = false; //获取成功
return interrupted; //返回是否被中断过
}
// 判断获取失败后是否可以挂起,若可以则挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 线程若被中断,设置interrupted为true
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
code里的注释已经很清晰的说明了acquireQueued的执行流程。假设B和C在竞争锁的过程中A一直持有锁，那么它们的tryAcquire操作都会失败，因此会走到第2个if语句中。
再看下shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt流程吧
/**
* 判断当前线程获取锁失败之后是否需要挂起.
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//前驱节点的状态
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 前驱节点状态为signal,返回true
return true;
// 前驱节点状态为CANCELLED
if (ws > 0) {
// 从队尾向前寻找第一个状态不为CANCELLED的节点
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 将前驱节点的状态设置为SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
/**
* 挂起当前线程,返回线程中断状态并重置
*/
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
线程入队后能够挂起的前提是，它的前驱节点的状态为SIGNAL，它的含义是：“Hi，前面的兄弟，如果你获取锁并且出队后，记得把我唤醒！”。所以shouldParkAfterFailedAcquire会先判断当前节点的前驱是否状态符合要求，若符合则返回true，然后调用parkAndCheckInterrupt，将自己挂起；如果不符合，再看前驱节点是否>0(CANCELLED)，若是那么向前遍历直到找到第一个符合要求（状态不大于0）的前驱，若不是则将前驱节点的状态设置为SIGNAL。
整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心挂起，需要去找个安心的挂起点，同时可以再尝试下看有没有机会去尝试竞争锁。
最终队列可能会如下图所示
总结
用一张流程图总结一下非公平锁的获取锁的过程。
非公平锁unlock()原理
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
如果理解了加锁的过程，那么解锁看起来就容易多了。流程大致为先尝试释放锁，若释放成功，那么查看头结点的状态是否为SIGNAL，如果是则唤醒头结点的下个节点关联的线程，如果释放失败那么返回false表示解锁失败。这里我们也发现了，每次都只唤起头结点的下一个节点关联的线程。
最后我们再看下tryRelease的执行过程
/**
* 释放当前线程占用的锁
* @param releases
* @return 是否释放成功
*/
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 计算释放后state值
int c = getState() - releases;
// 如果不是当前线程占用锁,那么抛出异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
// 锁被重入次数为0,表示释放成功
free = true;
// 清空独占线程
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 更新state值
setState(c);
return free;
}
这里入参为1。tryRelease的过程为：当前释放锁的线程若不持有锁，则抛出异常。若持有锁，计算释放后的state值是否为0，若为0表示锁已经被成功释放，并且则清空独占线程，最后更新state值，返回free。
公平锁原理
公平锁和非公平锁不同之处在于，公平锁在获取锁的时候，不会先去检查state状态，而是直接执行aqcuire(1);
超时机制
在ReetrantLock的tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 提供了超时获取锁的功能。它的语义是在指定的时间内如果获取到锁就返回true，获取不到则返回false。这种机制避免了线程无限期的等待锁释放。那么超时的功能是怎么实现的呢？我们还是用非公平锁为例来一探究竟。
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
还是调用了内部类里面的方法。我们继续向前探究
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
这里的语义是：如果线程被中断了，那么直接抛出InterruptedException。如果未中断，先尝试获取锁，获取成功就直接返回，获取失败则进入doAcquireNanos。tryAcquire我们已经看过，这里重点看一下doAcquireNanos做了什么。
/**
* 在有限的时间内去竞争锁
* @return 是否获取成功
*/
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
// 起始时间
long lastTime = System.nanoTime();
// 线程入队
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
// 又是自旋!
for (;;) {
// 获取前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前驱是头节点并且占用锁成功,则将当前节点变成头结点
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
// 如果已经超时,返回false
if (nanosTimeout <= 0)
return false;
// 超时时间未到,且需要挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
// 阻塞当前线程直到超时时间到期
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
long now = System.nanoTime();
// 更新nanosTimeout
nanosTimeout -= now - lastTime;
lastTime = now;
if (Thread.interrupted())
//相应中断
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
doAcquireNanos的流程简述为：线程先入等待队列，然后开始自旋，尝试获取锁，获取成功就返回，失败则在队列里找一个安全点把自己挂起直到超时时间过期。这里为什么还需要循环呢？因为当前线程节点的前驱状态可能不是SIGNAL，那么在当前这一轮循环中线程不会被挂起，然后更新超时时间，开始新一轮的尝试
轮询与中断
ReentrantLock被保留了下来的原因是：ReentrantLock比synchronied多了两个功能：可轮询、可中断。
1、可轮询
原书上面的例子看着比较复杂，但意思很简单。一个转账的操作，要么在规定的时间内完成，要么在规定的时间内告诉调用者，操作没有完成。这个例子就是要了ReentrantLock的可轮询特性，就是在规定的时间内，反复去试图获得一个锁，如果获得成功，就能完成转账操作，如果在规定的时间内，没有获得这个锁，那么就是转账失败。如果使用synchronized的话，肯定是无法做到的。
public boolean transferMoney(Account fromAcct,
Account toAcct,
DollarAmount amount,
long timeout,
TimeUnit unit)
throws InsufficientFundsException, InterruptedException {
long fixedDelay = getFixedDelayComponentNanos(timeout, unit);
long randMod = getRandomDelayModulusNanos(timeout, unit);
long stopTime = System.nanoTime() + unit.toNanos(timeout);
while (true) {
if (fromAcct.lock.tryLock()) {
try {
if (toAcct.lock.tryLock()) {
try {
if (fromAcct.getBalance().compareTo(amount) < 0)
throw new InsufficientFundsException();
else {
fromAcct.debit(amount);
toAcct.credit(amount);
return true;
}
} finally {
toAcct.lock.unlock();
}
}
} finally {
fromAcct.lock.unlock();
}
}
if (System.nanoTime() < stopTime)
return false;
NANOSECONDS.sleep(fixedDelay + rnd.nextLong() % randMod);
}
}
2、可中断
在synchronied的代码中，进入临界区的代码是无法中断的，这个很不灵活，如果我们使用一个线程池来分发任务，如果一个代码长期占有锁肯定会影响到线程池的其他任务，因此，加入中断机制提高了对任务更强的控制性。
public boolean sendOnSharedLine(String message)
throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
return cancellableSendOnSharedLine(message);
} finally {
lock.unlock();
}
}
private boolean cancellableSendOnSharedLine(String message)
throws InterruptedException { ... }
公平性：ReentrantLock默认采用非公平锁，synchronized锁也是采用的非公平锁。
如果你没有要求锁有可轮询和可中断的需求，还是使用synchronized内置锁吧。
请先 ！