reentrantLock公平锁和非公平锁源码解析

野性酷女 2022-01-28 00:37 350阅读 0赞

## ReentrantLock非公平锁源码分析 ##

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    lock.lock();

上面这段代码是最简单的获取ReentrantLock的非公平锁的代码，我们来看看这段代码后面的源码是如何运行的。

final void lock() {
    	//首先尝试看看能不能获取到锁，如果CAS成功，那么就获取到了
       if (compareAndSetState(0, 1))
       		//如果获取到了，就记录一下当前的线程，以便后面的重入
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
        	//如果CAS失败，则调用acurire方法
            acquire(1);
    }

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

这边的话首先会再尝试获取锁，如果获取到了，返回true，就会退出if语句，如果没有获取到，那么则将当前线程添加到队列中，并循环获取锁，直到获取到为止。

下面是tryAcquire方法的源码：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取到锁的标志状态
        int c = getState();
        if (c == 0) {
        	//0代表没有被获取到，则尝试获取
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        	//这边代表锁虽然被占用了，但是就是当前线程占用的，可以重入
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

如果尝试获取锁失败了，则先会将当前线程添加到一个队列中：

private Node addWaiter(Node mode) {
    	//使用当前线程创建一个Node节点，mode分为共享和排他
        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) {
        	//如果队列中已经存在节点了，那么直接将该节点添加到后面
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //如果是第一次构建队列，则调用该方法
        enq(node);
        return node;
    }

private Node enq(final Node node) {
    	for (;;) {
    	    Node t = tail;
    	    if (t == null) { // Must initialize
    	    	//如果尾节点还是空的，那么构建一个空节点做为头节点
    	    	//然后在下一次循环的时候进入到else
    	        if (compareAndSetHead(new Node()))
    	            tail = head;
    	    } else {
    	    	//和上面一样，将当前线程构建的节点添加到队列的尾部
    	        node.prev = t;
    	        if (compareAndSetTail(t, node)) {
    	            t.next = node;
    	            return t;
    	        }
    	    }
    	}
    }

到这里，队列已经构建完成了，那么这个队列中的节点在有锁释放后，又是怎么去争夺锁资源的呢？

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {、
    	//标识获取锁的过程中是否出现了异常
    	boolean failed = true;
    	 try {
    	 	//标识线程在等待唤醒的时候是否被打断（interrupt）
    	     boolean interrupted = false;
    	     //这里会循环获取锁，知道获取到或者出现异常
    	     for (;;) {
    	         final Node p = node.predecessor();
    	         //如果当前线程为第一个节点（排除head节点），则尝试获取锁
    	         if (p == head && tryAcquire(arg)) {
    	         	//如果获取到了，则将当前节点设置为head
    	             setHead(node);
    	             p.next = null; // help GC
    	             failed = false;
    	             return interrupted;
    	         }
    	         //判断节点是否需要park，如果需要，则进入park
    	         if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
    	             parkAndCheckInterrupt())
    	             interrupted = true;
    	     }
    	 } finally {
    	     if (failed)
    	         cancelAcquire(node);
    	 }
    }

这段代码有一点比较难理解，就是首先会判断当前线程的前一个节点是否为head节点，如果是的话，才会尝试获取锁。但是非公平锁不是应该所有的节点都去争夺锁资源吗？其实**非公平是作用于新入的节点，而已经调用过addWaiter方法的节点，则需要排队**。

PS：park方法与wait方法的作用类似。

下面我们再来看一下ReentrantLock是如何来判断当前线程获取锁失败后是否需要进入到park状态。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
        	//如果前节点是SIGNAL状体，则代表需要park
            return true;
        if (ws > 0) { 
        	//如果waitStatus的值大于0，代表已取消，需要将无效的节点删除
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
        	//否则将前节点设置为SIGNAL状态
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

上面的代码很好理解，但是需要知道Node的waitStatus的几种状态的含义。

*  CANCELLED：值为1，在同步队列中等待的线程等待超时或被中断，需要从同步队列中取消该Node的结点，其结点的waitStatus为CANCELLED，即结束状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
 *  SIGNAL：值为-1，被标识为该等待唤醒状态的后继结点，当其前继结点的线程释放了同步锁或被取消，将会通知该后继结点的线程执行。说白了，就是处于唤醒状态，只要前继结点释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行。
 *  CONDITION：值为-2，与Condition相关，该标识的结点处于等待队列中，结点的线程等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
 *  PROPAGATE：值为-3，与共享模式相关，在共享模式中，该状态标识结点的线程处于可运行状态。
 *  0状态：值为0，代表初始化状态。

下面再来看看parkAndCheckInterrupt方法：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    	//通过LockSupport类来park该线程
        LockSupport.park(this);
        //将park的线程唤醒可能是调用unpark方法，也可能是被打断了
        return Thread.interrupted();
    }

到这里，非公平锁的整个获取流程就结束了。

## ReentrantLock非公平锁实现原理小结 ##

通过上面的源码解析，我们已经能够大致了解ReentrantLock是如何实现非公平锁的了，下面我们来个小结。

![ReentrantLock流程图][ReentrantLock]  
这里有一点需要注意，就是在最后的时候，如果线程获取到了锁，并且中途被打断过，这个时候线程会调用interrupte()，但是这个是没有任何意义的，因为运行中的线程是不能被打断的。  
当然，ReentrantLock也是支持被打断的，具体可参考：

## ReentrantLock公平锁源码解析 ##

基于上面的内容，我们已经理解了ReentrantLock非公平锁的实现原理，其实公平锁和非公平锁的源码差不多，只有两处不一样。  
第一处：

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

这里就是调用lock方法的入口，和非公平锁不一样的是非公平锁会先去尝试通过CAS获取锁，但是公平锁不会。

第二处：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
       final Thread current = Thread.currentThread();
       int c = getState();
       if (c == 0) {
           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;
    }

这段代码是尝试去获取锁，可以看出，这边当state为0的时候，也就是无锁状态的时候，会先去判断当前线程的是否构建了节点且节点是否为head后的第一个节点，如果是，才会去尝试CAS获取锁。

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        //只有当没有任何节点获取锁或者本节点为head后第一个节点
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

从这里我们也能看出公平锁和非公平锁的区别：**公平锁的新入线程不能直接获取锁，必须去排队（除非没有任何竞争发生）。而非公平锁新入的线程则可以先尝试获取锁，如果失败了再排队**。

[ReentrantLock]: /images/20220128/fe45ab28818f4ae6a05416fdd8b3609b.png