Java并发篇（7）深入剖析ReentrantLock

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可重入锁（ReentrantLock），表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁，还支持两种获取锁的方式：

  1. 公平锁：按照锁的请求时间顺序获取锁
  2. 非公平锁：任意一个线程在请求锁时都有机会获得锁

Synchronized与ReentrantLock对比

synchronized关键字修饰的方法和同步代码块也是支持可重入的，它们的区别是：

Synchronized ReentrantLock
加锁方式 隐式加锁 显式加锁，调用lock()加锁与unlock()解锁
等待锁时是否可中断 不可中断 可中断
锁的公平性 非公平锁 默认值是非公平锁，可以设置为公平锁
锁绑定多个条件 只能绑定一个锁条件 可以设置多个锁条件Condition对象

ReentrantLock实现可重入分析

tryAcquire()获取锁源码

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final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取当前同步状态
    int c = getState();
    // 如果为0代表没加锁
    if (c == 0) {
        // 直接尝试获取锁
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 判断当前线程是否已经获取了该锁，如果是实现可重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 实现可重入，将同步状态 + 1
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease()释放锁源码

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protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 将同步状态 - 1
    int c = getState() - releases;
    // 判断当前线程与已经获取锁的线程是否相同
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 判断同步状态是否等于0, 如果是才真正释放锁
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

可重入分析总结

  1. ReentrantLock内部维护state成员变量，可实现多次对state变量自增实现可重入锁
  2. 获取n次锁就要释放n次锁，只有当state等于0时表示锁成功释放。

公平锁与非公平锁实现分析

ReentrantLock内部有两个内部类FairSync和NonfairSync，分别代表公平锁和非公平锁的类，内部重写了AQS的请求获取锁方法tryAcquire()方法自定义锁请求方式。先来看lock()方法

lock()方法分析

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// NonfairSync
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

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

从上面的代码可以得到下面的不同点：

  1. 非公平锁直接CAS尝试获取锁，获取失败才调用acquire()，而公平锁调用acquire()；

调用acquire()方法实际上是调用FairSync和NonfairSync各自内部的tryAcquire()方法，

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

tryAcquire()源码解析

NonfairSync的tryAcquire()方法

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取当前同步状态
    int c = getState();
    // 如果为0代表没加锁
    if (c == 0) {
        // 直接尝试获取锁
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 判断当前线程是否已经获取了该锁
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 实现可重入，将同步状态 + 1
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

非公平锁内部调用了nonfairTryAcquire()方法实现非公平锁的请求，源码如上；非公平锁整个获取锁的流程如下图：

注意：线程被唤醒是所有线程都会被唤醒，而不是只有前驱节点为头节点的线程被唤醒，这是与公平锁的一个重要区别

FairSync的tryAcquire()方法

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取当前同步状态
    int c = getState();
    // 判断是否处于可获取状态
    if (c == 0) {
        // 如果队列为空并且成功设置同步状态则代表成功获取锁，否则需要排队
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 判断是否当前线程获取了这个锁
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 如果是则将state自增1实现可重入
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

两个获取锁方法的不同点：

  1. 如果锁已经被释放(state = 0)，公平锁先调用方法hasQueuedPredecessors()判断队列中是否有节点，如果有则排队，而非公平锁则直接CAS尝试获取锁，源码如下：
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// NonfairSync的tryAcquire()方法
if (c == 0) {
    // 直接尝试获取锁
    if (compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }
}
// FairSync的tryAcquire()方法
if (c == 0) {
    // 如果队列为空并且成功设置同步状态则代表成功获取锁，否则需要排队
    if (!hasQueuedPredecessors() &&
        compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }
}

获取锁失败之后的操作

  1. 如果获取不到锁，都要调用acquireQueued()将线程节点添加到队列尾部，等待执行线程唤醒，addWaiter()是创建一个等待线程节点，源码如下：
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public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}
// addWaiter()源码
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 创建新的节点	
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    // 如果尾节点不为空则说明队列不为空,排到队列尾部
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 初始化队列
    enq(node);
    return node;
}
// enq()源码
private Node enq(final Node node) {
    // 死循环初始化队列
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 二次判断队列是否为空, 以防调用过程中队列已经初始化
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
           	// 队列不为空，正常添加到队列尾部
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

ReentrantLock总结

  1. ReentrantLock内部有公平锁与非公平锁两种实现
  2. 公平锁按照请求顺序获取锁，非公平锁会同时争抢获取锁
  3. 非公平锁的性能要高于公平锁，因为请求顺序会带来频繁的线程上下文切换，而非公平锁不需要顾及队列的顺序
  4. 可重入性是通过state同步状态自增实现的
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