死磕java同步系列之ReentrantLock源碼解析（一）——公平鎖、非公平鎖

問題

（1）重入鎖是什么？

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（2）ReentrantLock如何實現(xiàn)重入鎖？

（3）ReentrantLock為什么默認是非公平模式？

（4）ReentrantLock除了可重入還有哪些特性？

簡介

Reentrant = Re + entrant，Re是重復(fù)、又、再的意思，entrant是enter的名詞或者形容詞形式，翻譯為進入者或者可進入的，所以Reentrant翻譯為可重復(fù)進入的、可再次進入的，因此ReentrantLock翻譯為重入鎖或者再入鎖。

重入鎖，是指一個線程獲取鎖之后再嘗試獲取鎖時會自動獲取鎖。

在Java中，除了ReentrantLock以外，synchronized也是重入鎖。

那么，ReentrantLock的可重入性是怎么實現(xiàn)的呢？

繼承體系

ReentrantLock實現(xiàn)了Lock接口，Lock接口里面定義了java中鎖應(yīng)該實現(xiàn)的幾個方法：

// 獲取鎖
void lock();
// 獲取鎖（可中斷）
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 嘗試獲取鎖，如果沒獲取到鎖，就返回false
boolean tryLock();
// 嘗試獲取鎖，如果沒獲取到鎖，就等待一段時間，這段時間內(nèi)還沒獲取到鎖就返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 釋放鎖
void unlock();
// 條件鎖
Condition newCondition();

Lock接口中主要定義了獲取鎖、嘗試獲取鎖、釋放鎖、條件鎖等幾個方法。

源碼分析

主要內(nèi)部類

ReentrantLock中主要定義了三個內(nèi)部類：Sync、NonfairSync、FairSync。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}

static final class NonfairSync extends Sync {}

static final class FairSync extends Sync {}

（1）抽象類Sync實現(xiàn)了AQS的部分方法；

（2）NonfairSync實現(xiàn)了Sync，主要用于非公平鎖的獲??；

（3）FairSync實現(xiàn)了Sync，主要用于公平鎖的獲取。

在這里我們先不急著看每個類具體的代碼，等下面學(xué)習具體的功能點的時候再把所有方法串起來。

主要屬性

private final Sync sync;

主要屬性就一個sync，它在構(gòu)造方法中初始化，決定使用公平鎖還是非公平鎖的方式獲取鎖。

主要構(gòu)造方法

// 默認構(gòu)造方法
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
// 自己可選擇使用公平鎖還是非公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

（1）默認構(gòu)造方法使用的是非公平鎖；

（2）第二個構(gòu)造方法可以自己決定使用公平鎖還是非公平鎖；

上面我們分析了ReentrantLock的主要結(jié)構(gòu)，下面我們跟著幾個主要方法來看源碼。

lock()方法

彤哥貼心地在每個方法的注釋都加上方法的來源。

公平鎖

這里我們假設(shè)ReentrantLock的實例是通過以下方式獲得的：

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);

下面的是加鎖的主要邏輯：

// ReentrantLock.lock()
public void lock() {
    // 調(diào)用的sync屬性的lock()方法
    // 這里的sync是公平鎖，所以是FairSync的實例
    sync.lock();
}
// ReentrantLock.FairSync.lock()
final void lock() {
    // 調(diào)用AQS的acquire()方法獲取鎖
    // 注意，這里傳的值為1
    acquire(1);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.acquire()
public final void acquire(int arg) {
    // 嘗試獲取鎖
    // 如果失敗了，就排隊
    if (!tryAcquire(arg) &&
        // 注意addWaiter()這里傳入的節(jié)點模式為獨占模式
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}
// ReentrantLock.FairSync.tryAcquire()
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 當前線程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 查看當前狀態(tài)變量的值
    int c = getState();
    // 如果狀態(tài)變量的值為0，說明暫時還沒有人占有鎖
    if (c == 0) {
        // 如果沒有其它線程在排隊，那么當前線程嘗試更新state的值為1
        // 如果成功了，則說明當前線程獲取了鎖
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 當前線程獲取了鎖，把自己設(shè)置到exclusiveOwnerThread變量中
            // exclusiveOwnerThread是AQS的父類AbstractOwnableSynchronizer中提供的變量
            setExclusiveOwnerThread(current);
            // 返回true說明成功獲取了鎖
            return true;
        }
    }
    // 如果當前線程本身就占有著鎖，現(xiàn)在又嘗試獲取鎖
    // 那么，直接讓它獲取鎖并返回true
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 狀態(tài)變量state的值加1
        int nextc = c + acquires;
        // 如果溢出了，則報錯
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 設(shè)置到state中
        // 這里不需要CAS更新state
        // 因為當前線程占有著鎖，其它線程只會CAS把state從0更新成1，是不會成功的
        // 所以不存在競爭，自然不需要使用CAS來更新
        setState(nextc);
        // 當線程獲取鎖成功
        return true;
    }
    // 當前線程嘗試獲取鎖失敗
    return false;
}
// AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter()
// 調(diào)用這個方法，說明上面嘗試獲取鎖失敗了
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 新建一個節(jié)點
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 這里先嘗試把新節(jié)點加到尾節(jié)點后面
    // 如果成功了就返回新節(jié)點
    // 如果沒成功再調(diào)用enq()方法不斷嘗試
    Node pred = tail;
    // 如果尾節(jié)點不為空
    if (pred != null) {
        // 設(shè)置新節(jié)點的前置節(jié)點為現(xiàn)在的尾節(jié)點
        node.prev = pred;
        // CAS更新尾節(jié)點為新節(jié)點
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            // 如果成功了，把舊尾節(jié)點的下一個節(jié)點指向新節(jié)點
            pred.next = node;
            // 并返回新節(jié)點
            return node;
        }
    }
    // 如果上面嘗試入隊新節(jié)點沒成功，調(diào)用enq()處理
    enq(node);
    return node;
}
// AbstractQueuedSynchronizer.enq()
private Node enq(final Node node) {
    // 自旋，不斷嘗試
    for (;;) {
        Node t = tail;
        // 如果尾節(jié)點為空，說明還未初始化
        if (t == null) { // Must initialize
            // 初始化頭節(jié)點和尾節(jié)點
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            // 如果尾節(jié)點不為空
            // 設(shè)置新節(jié)點的前一個節(jié)點為現(xiàn)在的尾節(jié)點
            node.prev = t;
            // CAS更新尾節(jié)點為新節(jié)點
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                // 成功了，則設(shè)置舊尾節(jié)點的下一個節(jié)點為新節(jié)點
                t.next = node;
                // 并返回舊尾節(jié)點
                return t;
            }
        }
    }
}
// AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued()
// 調(diào)用上面的addWaiter()方法使得新節(jié)點已經(jīng)成功入隊了
// 這個方法是嘗試讓當前節(jié)點來獲取鎖的
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 失敗標記
    boolean failed = true;
    try {
        // 中斷標記
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {
            // 當前節(jié)點的前一個節(jié)點
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果當前節(jié)點的前一個節(jié)點為head節(jié)點，則說明輪到自己獲取鎖了
            // 調(diào)用ReentrantLock.FairSync.tryAcquire()方法再次嘗試獲取鎖
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 嘗試獲取鎖成功
                // 這里同時只會有一個線程在執(zhí)行，所以不需要用CAS更新
                // 把當前節(jié)點設(shè)置為新的頭節(jié)點
                setHead(node);
                // 并把上一個節(jié)點從鏈表中刪除
                p.next = null; // help GC
                // 未失敗
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 是否需要阻塞
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                // 真正阻塞的方法
                parkAndCheckInterrupt())
                // 如果中斷了
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        // 如果失敗了
        if (failed)
            // 取消獲取鎖
            cancelAcquire(node);
    }
}
// AbstractQueuedSynchronizer.shouldParkAfterFailedAcquire()
// 這個方法是在上面的for()循環(huán)里面調(diào)用的
// 第一次調(diào)用會把前一個節(jié)點的等待狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL，并返回false
// 第二次調(diào)用才會返回true
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 上一個節(jié)點的等待狀態(tài)
    // 注意Node的waitStatus字段我們在上面創(chuàng)建Node的時候并沒有指定
    // 也就是說使用的是默認值0
    // 這里把各種等待狀態(tài)再貼出來
    //static final int CANCELLED =  1;
    //static final int SIGNAL    = -1;
    //static final int CONDITION = -2;
    //static final int PROPAGATE = -3;
    int ws = pred.waitStatus;
    // 如果等待狀態(tài)為SIGNAL(等待喚醒)，直接返回true
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    // 如果前一個節(jié)點的狀態(tài)大于0，也就是已取消狀態(tài)
    if (ws > 0) {
        // 把前面所有取消狀態(tài)的節(jié)點都從鏈表中刪除
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 如果前一個節(jié)點的狀態(tài)小于等于0，則把其狀態(tài)設(shè)置為等待喚醒
        // 這里可以簡單地理解為把初始狀態(tài)0設(shè)置為SIGNAL
        // CONDITION是條件鎖的時候使用的
        // PROPAGATE是共享鎖使用的
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}
// AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt()
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 阻塞當前線程
    // 底層調(diào)用的是Unsafe的park()方法
    LockSupport.park(this);
    // 返回是否已中斷
    return Thread.interrupted();
}

看過之前彤哥寫的【死磕 java同步系列之自己動手寫一個鎖Lock】的同學(xué)看今天這個加鎖過程應(yīng)該思路會比較清晰。

下面我們看一下主要方法的調(diào)用關(guān)系，可以跟著我的 → 層級在腦海中大概過一遍每個方法的主要代碼：

ReentrantLock#lock()
->ReentrantLock.FairSync#lock() // 公平模式獲取鎖
  ->AbstractQueuedSynchronizer#acquire() // AQS的獲取鎖方法
    ->ReentrantLock.FairSync#tryAcquire() // 嘗試獲取鎖
    ->AbstractQueuedSynchronizer#addWaiter()  // 添加到隊列
      ->AbstractQueuedSynchronizer#enq()  // 入隊
    ->AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued() // 里面有個for()循環(huán)，喚醒后再次嘗試獲取鎖
      ->AbstractQueuedSynchronizer#shouldParkAfterFailedAcquire() // 檢查是否要阻塞
      ->AbstractQueuedSynchronizer#parkAndCheckInterrupt()  // 真正阻塞的地方

獲取鎖的主要過程大致如下：

（1）嘗試獲取鎖，如果獲取到了就直接返回了；

（2）嘗試獲取鎖失敗，再調(diào)用addWaiter()構(gòu)建新節(jié)點并把新節(jié)點入隊；

（3）然后調(diào)用acquireQueued()再次嘗試獲取鎖，如果成功了，直接返回；

（4）如果再次失敗，再調(diào)用shouldParkAfterFailedAcquire()將節(jié)點的等待狀態(tài)置為等待喚醒（SIGNAL）；

（5）調(diào)用parkAndCheckInterrupt()阻塞當前線程；

（6）如果被喚醒了，會繼續(xù)在acquireQueued()的for()循環(huán)再次嘗試獲取鎖，如果成功了就返回；

（7）如果不成功，再次阻塞，重復(fù)（3）（4）（5）直到成功獲取到鎖。

以上就是整個公平鎖獲取鎖的過程，下面我們看看非公平鎖是怎么獲取鎖的。

非公平鎖

// ReentrantLock.lock()
public void lock() {
    sync.lock();
}
// ReentrantLock.NonfairSync.lock()
// 這個方法在公平鎖模式下是直接調(diào)用的acquire(1);
final void lock() {
    // 直接嘗試CAS更新狀態(tài)變量
    if (compareAndSetState(0, 1))
        // 如果更新成功，說明獲取到鎖，把當前線程設(shè)為獨占線程
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}
// ReentrantLock.NonfairSync.tryAcquire()
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 調(diào)用父類的方法
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}
// ReentrantLock.Sync.nonfairTryAcquire()
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 如果狀態(tài)變量的值為0，再次嘗試CAS更新狀態(tài)變量的值
        // 相對于公平鎖模式少了!hasQueuedPredecessors()條件
        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;
}

相對于公平鎖，非公平鎖加鎖的過程主要有兩點不同：

（1）一開始就嘗試CAS更新狀態(tài)變量state的值，如果成功了就獲取到鎖了；

（2）在tryAcquire()的時候沒有檢查是否前面有排隊的線程，直接上去獲取鎖才不管別人有沒有排隊呢；

總的來說，相對于公平鎖，非公平鎖在一開始就多了兩次直接嘗試獲取鎖的過程。

lockInterruptibly()方法

支持線程中斷，它與lock()方法的主要區(qū)別在于lockInterruptibly()獲取鎖的時候如果線程中斷了，會拋出一個異常，而lock()不會管線程是否中斷都會一直嘗試獲取鎖，獲取鎖之后把自己標記為已中斷，繼續(xù)執(zhí)行自己的邏輯，后面也會正常釋放鎖。

題外話：

線程中斷，只是在線程上打一個中斷標志，并不會對運行中的線程有什么影響，具體需要根據(jù)這個中斷標志干些什么，用戶自己去決定。

比如，如果用戶在調(diào)用lock()獲取鎖后，發(fā)現(xiàn)線程中斷了，就直接返回了，而導(dǎo)致沒有釋放鎖，這也是允許的，但是會導(dǎo)致這個鎖一直得不到釋放，就出現(xiàn)了死鎖。

lock.lock();

if (Thread.currentThread().interrupted()) {
    return ;
}

lock.unlock();

當然，這里只是舉個例子，實際使用肯定是要把lock.lock()后面的代碼都放在try...finally...里面的以保證鎖始終會釋放，這里主要是為了說明線程中斷只是一個標志，至于要做什么完全由用戶自己決定。

tryLock()方法

嘗試獲取一次鎖，成功了就返回true，沒成功就返回false，不會繼續(xù)嘗試。

// ReentrantLock.tryLock()
public boolean tryLock() {
    // 直接調(diào)用Sync的nonfairTryAcquire()方法
    return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
// ReentrantLock.Sync.nonfairTryAcquire()
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;
}

tryLock()方法比較簡單，直接以非公平的模式去嘗試獲取一次鎖，獲取到了或者鎖本來就是當前線程占有著就返回true，否則返回false。

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法

嘗試獲取鎖，并等待一段時間，如果在這段時間內(nèi)都沒有獲取到鎖，就返回false。

// ReentrantLock.tryLock()
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    // 調(diào)用AQS中的方法
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
// AbstractQueuedSynchronizer.tryAcquireNanos()
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    // 如果線程中斷了，拋出異常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 先嘗試獲取一次鎖
    return tryAcquire(arg) ||
        doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireNanos()
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    // 如果時間已經(jīng)到期了，直接返回false
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    // 到期時間
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return true;
            }
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            // 如果到期了，就直接返回false
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            // spinForTimeoutThreshold = 1000L;
            // 只有到期時間大于1000納秒，才阻塞
            // 小于等于1000納秒，直接自旋解決就得了
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                // 阻塞一段時間
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法在阻塞的時候加上阻塞時間，并且會隨時檢查是否到期，只要到期了沒獲取到鎖就返回false。

unlock()方法

釋放鎖。

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock()
public void unlock() {
    sync.release(1);
}
// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release
public final boolean release(int arg) {
    // 調(diào)用AQS實現(xiàn)類的tryRelease()方法釋放鎖
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        // 如果頭節(jié)點不為空，且等待狀態(tài)不是0，就喚醒下一個節(jié)點
        // 還記得waitStatus嗎？
        // 在每個節(jié)點阻塞之前會把其上一個節(jié)點的等待狀態(tài)設(shè)為SIGNAL（-1）
        // 所以，SIGNAL的準確理解應(yīng)該是喚醒下一個等待的線程
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync.tryRelease
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    // 如果當前線程不是占有著鎖的線程，拋出異常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 如果狀態(tài)變量的值為0了，說明完全釋放了鎖
    // 這也就是為什么重入鎖調(diào)用了多少次lock()就要調(diào)用多少次unlock()的原因
    // 如果不這樣做，會導(dǎo)致鎖不會完全釋放，別的線程永遠無法獲取到鎖
    if (c == 0) {
        free = true;
        // 清空占有線程
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 設(shè)置狀態(tài)變量的值
    setState(c);
    return free;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 注意，這里的node是頭節(jié)點

    // 如果頭節(jié)點的等待狀態(tài)小于0，就把它設(shè)置為0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    // 頭節(jié)點的下一個節(jié)點
    Node s = node.next;
    // 如果下一個節(jié)點為空，或者其等待狀態(tài)大于0（實際為已取消）
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 從尾節(jié)點向前遍歷取到隊列最前面的那個狀態(tài)不是已取消狀態(tài)的節(jié)點
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果下一個節(jié)點不為空，則喚醒它
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

釋放鎖的過程大致為：

（1）將state的值減1；

（2）如果state減到了0，說明已經(jīng)完全釋放鎖了，喚醒下一個等待著的節(jié)點；

未完待續(xù)，下一章我們繼續(xù)學(xué)習ReentrantLock中關(guān)于條件鎖的部分

彩蛋

為什么ReentrantLock默認采用的是非公平模式？

答：因為非公平模式效率比較高。

為什么非公平模式效率比較高？

答：因為非公平模式會在一開始就嘗試兩次獲取鎖，如果當時正好state的值為0，它就會成功獲取到鎖，少了排隊導(dǎo)致的阻塞/喚醒過程，并且減少了線程頻繁的切換帶來的性能損耗。

非公平模式有什么弊端？

答：非公平模式有可能會導(dǎo)致一開始排隊的線程一直獲取不到鎖，導(dǎo)致線程餓死。

死磕java同步系列之ReentrantLock源碼解析（一）——公平鎖、非公平鎖

問題

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