JUC ReentrantLock 分析

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-05-23 13:08 190阅读 0赞

## 基本介绍 ##

ReentrantLock，可重入锁，基于AQS实现的互斥锁，在互斥锁之上支持可重入。可重入的意思是，同一个线程可以多次调用lock方法，而不会导致自己等待自己锁的释放。根据内部实现，分为公平性可重入锁和非公平性可重入锁。由构造函数来指定其公平性，默认使用非公平性实现。ReentrantLock实现了Lock接口，实现的接口如下:

public interface Lock { 
        // 尝试获取锁，获取不到则阻塞等待，不响应中断
        void lock();
        // 尝试获取锁，获取不到则阻塞等待，响应中断
        void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
        // 尝试获取锁，立即返回，获取成功返回true，失败则返回false
        boolean tryLock();
        // 超时获取锁，获取到则返回，获取不到知道超时时间过，返回false
        boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
        // 释放锁，需要在持有锁的线程中调用，否则会抛IllegalMonitorStateException，一般放到finally块中执行，确保在碰到任何异常，都正确能释放锁
        void unlock();
        // 新建一个同步等待条件
        Condition newCondition();
    }

## 示例使用 ##

public class Counter { 
    
        private volatile int value = 0;
        private Lock lock = new ReentrantLock();
    
        public int inc() {
            lock.lock();
            try {
                ++value;
            } finllay {
                lock.unlock();
            }
        }
    
    }

> 上面的例子仅作使用示例使用，在开发中常规的多线程并发计数器直接用基于CAS实现的atomic类即可（AtomicInteger，AtomicLong）

## Lock vs Synchronized ##

synchronized的实现在底层，它的使用比较简单，基于方法或者基于方法块定义同步，可基于对象，class类来进行锁定；但synchronized无法实现超时锁，也不支持中断。而JUC中Lock的实现，可以实现超时获取锁（获取成功立刻返回，获取失败，根据超时时间返回），tryLock尝试获取锁（无论获取成功或者失败，都立马返回），锁等待过程支持中断。

## 源码分析 ##

ReentrantLock实现了Lock接口，通过内部类Sync实现AQS提供的独占式获取锁方法和释放锁方法，来实现独占锁的功能，同时还区分公平性实现和非公平性实现:

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable { 
    
       private final Sync sync;
    
       abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
            ...
       }
    
       // 非公平可重入锁实现
       static final class NonfairSync extends Sync {
    
           ...
       }
    
       // 公平性可重入锁实现
       static final class FairSync extends Sync {
    
       }
    
       ...
    }

前面说到，ReentrantLock分为公平性可重入锁和非公平性可重入锁，通过其构造函数来指定公平性，默认使用的是非公平性实现。

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

### 锁的公平性与非公平性获取 ###

非公平获取体现在两个地方:

1）在`NonfairSync`中的lock方法:

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

2）在`Sync`的nonfairTryAcquire方法，这是由上面的lock方法中的acquire方法衍生调用的:

> Tip: acquire会调用tryAcquire方法，而NonfairSync的tryAcquire方法里面又调用了Sync中的的nonfairTryAcquire方法

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;
    }

这里1）和2）的非公平性是说，任何线程，进入这段代码，先尝试CAS抢占锁（对AQS来说，指抢占同步状态state），而不用去理会AQS同步队列中是否有其他线程先于这些线程在等待获取独占锁。

基于上面的描述，我们就可以想象公平性的实现，实际上就是要先判断AQS同步队列是否还有其他线程在等待，FIFO的思想，先到的先尝试获取锁，这不就是公平的么，看代码，在`FairSync`类的tryAcquire方法中:

final void lock() {
        acquire(1);
    }
    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 公平性获取的体现
            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;
    }

注意到上面，当同步状态为0时候，优先判断是否同步队列里面有线程在等待，若有则当前线程不能抢占修改同步状态，必须失败（返回false），然后让AQS将它加到同步队列尾部。

### 锁的释放 ###

公平性和非公平性的释放保持一致，都在`Sync`的tryRelease方法里面:

protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

### 支持中断的锁获取 ###

直接调用AQS提供的acquireInterruptibly方法，而该方法会调用tryAcquire方法，实现由上面所述，分公平性和非公平性:

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

### 超时获取锁 ###

直接调用AQS提供的tryAcquireNanos方法，该方法会调用tryAcquire方法，实现由上面所述，分公平性和非公平性:

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

### tryLock使用非公平实现 ###

public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }

### newCondition ###

通过newCondition()方法来构造一个Condition，一个Condition代表一个条件，当获取锁的情况下，可使用Condition来实现类似Object的wait/notify机制

eg:

private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition cond = lock.newCondition();
    
    public void thread1() {
        lock.lock();
        try {
            while (!conditionMatch()) {
                cond.await();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public void thread2() {
        lock.lock();
        try {
            cond.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }