ReentrantLock可重入独占锁详解

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2023-10-12 10:28 38阅读 0赞

## 基本用法介绍 ##

`ReentrantLock`位于`java.util.concurrent（J.U.C）`包下，是Lock接口的实现类。基本用法与`synchronized`相似，都具备**可重入互斥**的特性，但拥有更强大的且灵活的锁机制。

ReentrantLock推荐用法如下：

class X {
        //定义锁对象
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // ...
        //定义需要保证线程安全的方法
        public void m() {
            //加锁
            lock.lock();  
            try{
            // 保证线程安全的代码
            }
            // 使用finally块保证释放锁
            finally {
                lock.unlock()
            }
        }
    }

## 继承体系 ##

![c1609af4718a47e430caecf43bdbf5d1.png][]

*  实现Lock接口，提供了锁的关键方法，如lock、unlock、tryLock等等，以及newCondition给lock关联条件对象的方法。
 *  内部维护了一个Sync，它继承AQS，实现AQS提供的独占式的获取与释放同步资源的方法，提供了可重入的具体实现。
 *  Sync有两个实现类，是公平锁和非公平锁的两种实现，FairSync与NonfairSync。

> 独占锁表示：同时只能有一个线程可以获取该锁，其他获取该锁的线程会被阻塞而被放入该所的AQS阻塞队列里面。

## 构造方法 ##

Sync直接继承自AQS，NonfairSync和FairSync继承了Sync，实现了获取锁的公平与非公平策略。

ReentrantLock中的操作都是委托给Sync对象来实际操作的。

/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
        private final Sync sync;

默认是使用非公平锁：`NonfairSync`，可以传入参数来指定是否使用公平锁。

// 默认使用的是 非公平的策略
        public ReentrantLock() {
            sync = new NonfairSync();
        }
    	// 通过fair参数指定 策略
        public ReentrantLock(boolean fair) {
            sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        }

## state状态表示 ##

在ReentrantLock中，**AQS的state状态值表示线程获取该锁的可重入次数**，在默认情况下：

*  state值为0时表示当前锁没有被任何线程持有。
 *  当第一个线程第一次获取该锁时会尝试使用CAS设置state的值为1，**如果CAS成功则当前线程获取了该锁，然后记录该锁的持有者为当前线程**。
 *  在该线程没有释放锁的情况下第二次获取该锁后，状态值设置为2，为可重入次数。
 *  在该线程释放锁时，会尝试使用CAS让state值减1，**如果减1后状态值为0，则当前线程释放该锁**。

## 获取锁 ##

### void lock()方法 ###

ReentrantLock的lock()方法委托给了sync类，根据创建sync的具体实现决定具体的逻辑：

NonfairSync

/**
             * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
             * acquire on failure.
             */
            final void lock() {
                // CAS 设置获取state值
                if (compareAndSetState(0, 1))
                    // 将当前线程设置为锁的持有者
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                else
                    // 设置失败， 调用AQS的acquire方法
                    acquire(1);
            }

state值的初始状态为0，也就是说，第一个线程的CAS操作会成功将0设置为1，表示当前线程获取到了锁，然后通过`setExclusiveOwnerThread`方法将当前线程设置为锁的持有者。

如果这时，其他线程也试图获取该锁，则CAS失败，走到acquire的逻辑。

// AQS#acquire
    	public final void acquire(int arg) {
            // 调用ReentrantLock重写的tryAcquire方法
            if (!tryAcquire(arg) &&
                // tryAcquire方法返回false，则把当前线程放入AQS阻塞队列中
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                selfInterrupt();
        }

欸，这个时候我们应该就有感觉了，我们之前在分析AQS的核心方法的时候说到过，AQS是基于模板模式设计的，下面的tryAcquire方法就是留给子类实现的，而NonfairSync中是这样实现的：

//NonfairSync#tryAcquire
            protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        		// 调用
                return nonfairTryAcquire(acquires);
            }
    
    		final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
                final Thread current = Thread.currentThread();
                // 获取当前状态值
                int c = getState();
                // 如果当前状态值为0，如果为0表示当前锁空闲
                if (c == 0) {
                    if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                        setExclusiveOwnerThread(current);
                        return true;
                    }
                }
                // 看看当前的线程是不是锁的持有者
                else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                    // 如果是的话 将状态设置为  c + acquires
                    int nextc = c + acquires;
                    if (nextc < 0) // overflow
                        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                    setState(nextc);
                    return true;
                }
                return false;
            }

还是很好理解的哈，先看看锁的状态值是啥？

*  如果是0，就CAS尝试获取锁，将状态从0变到1，并且设置锁的持有者为当前线程，和之前的逻辑一样啦。
 *  如果不是0，表示已经被某个线程持有啦，看看持有锁的人是谁呢？如果是自己，那么好办，重入呗，将state变为nextc【原先state + 传入的acquires】，返回true。这里要注意：nextc<0表示可重入次数溢出。
 *  锁已经被别人霸占了，那就返回false咯，等待后续`acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))`方法，被置入AQS阻塞队列中。

> 这里非公平体现在获取锁的时候，没有查看当前AQS队列中是否有比自己更早请求该锁的线程存在，而是采取了**抢夺策略**。

FairSync

公平锁的tryAcquire实现如下：

//FairSync#tryAcquire
    		protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
                final Thread current = Thread.currentThread();
                int c = getState();
                if (c == 0) {
                    // 状态值为0的时候，我去看看队列里面在我之前有没有线程在等
                    if (!hasQueuedPredecessors() &&
                        compareAndSetState(0, acquires)) {
                        setExclusiveOwnerThread(current);
                        return true;
                    }
                }
                // 当前锁已经被当前线程持有
                else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                    int nextc = c + acquires;
                    if (nextc < 0)
                        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                    setState(nextc);
                    return true;
                }
                return false;
            }

对比一下两种策略，不必说，`hasQueuedPredecessors`方法一定是实现公平性的核心，我们来瞅瞅：

// 如果当前线程有前驱节点就返回true。
    	public final boolean hasQueuedPredecessors() {
            // The correctness of this depends on head being initialized
            // before tail and on head.next being accurate if the current
            // thread is first in queue.
            Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
            Node h = head;
            Node s;
            return h != t &&
                ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
        }

该方法：如果当前线程有前驱节点就返回true，那么我们想，不是前驱节点的情况有哪些呢？

1.  队列为空
2.  队列不为空，但当前线程节点是AQS的第一个节点。

知道这些之后，我们就明白最后那串表达式是什么意思了：**队列里面的第一个元素不是当前线程，返回true，说明在你之前还有人排着队呢，你先别抢，先到先得**。

### 公平与非公平策略的差异 ###

我们稍微总结一下：

Reentrant类的构造函数接受一个**可选的公平性参数fair**。这时候就出现两种选择：

*  公平的（fair == true）：**保证等待时间最长的线程优先获取锁，其实就是先入队的先得锁**，即FIFO。
 *  非公平的（fair == false）：此锁不保证任何特定的访问顺序。

公平锁往往体现出的总体吞吐量比非公平锁要低，也就是更慢，因为每次都需要看看队列里面有没有在排队的嘛。锁的公平性并不保证线程调度的公平性，但公平锁能够减少"饥饿"发生的概率。

需要注意的是：不定时的tryLock()方法不支持公平性设置。如果锁可用，即使其他线程等待时间比它长，它也会成功获得锁。

### void lockInterruptibly() ###

该方法与lock方法类似，不同点在于，它能对中断进行相应：当前线程在调用该方法时，如果其他线程调用了当前线程的interrupt()方法，当前线程会抛出InterruptedException异常，然后返回。

// ReentrantLock#lockInterruptibly
    	public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
            sync.acquireInterruptibly(1);
        }
    	// AQS#acquireInterruptibly
        public final void acquireInterruptibly(int arg)
                throws InterruptedException {
            // 如果当前线程被中断，则直接抛出异常
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            // 尝试获取资源
            if (!tryAcquire(arg))
                // 调用AQS可被中断的方法
                doAcquireInterruptibly(arg);
        }

### boolean tryLock()方法 ###

尝试获取锁，如果当前该锁没有被其他线程持有，则当前线程获取该锁并返回true，否则返回false。

大致逻辑和非公平锁lock方法类似，但该方法会直接返回获取锁的结果，无论true或者false，它不会阻塞。

// ReentrantLock# tryLock
    	public boolean tryLock() {
            return sync.nonfairTryAcquire(1);
        }
    	abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    		// 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()` **实现**方法，在实现时，希望能**快速的**获得是否能够获得到锁，因此即使在设置为 `fair = true` ( 使用公平锁 )，依然调用 `Sync#nonfairTryAcquire(int acquires)` 方法。
 *  如果**真的**希望 `tryLock()` 还是按照是否公平锁的方式来，可以调用 `#tryLock(0, TimeUnit)` 方法来实现。

### boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) ###

// ReentrantLock# tryLock
        public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
                throws InterruptedException {
            return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
        }
    	// AQS#tryAcquireNanos
        public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
                throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            return tryAcquire(arg) ||
                doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
        }

尝试获取锁，如果获取失败会将当前线程挂起指定时间，时间到了之后当前线程被激活，如果还是没有获取到锁，就返回false。

另外，该方法会对中断进行的响应，如果其他线程调用了当前线程的interrupt()方法，响应中断，抛出异常。

## 释放锁 ##

### void unlock()方法 ###

// ReentrantLock#unlock
    	public void unlock() {
            sync.release(1);
        }
    	//AQS# release
        public final boolean release(int arg) {
            // 子类实现tryRelease
            if (tryRelease(arg)) {
                Node h = head;
                if (h != null && h.waitStatus != 0)
                    unparkSuccessor(h);
                return true;
            }
            return false;
        }
    
    	abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    		// Sync#tryRelease
            protected final boolean tryRelease(int releases) {
                // 计算解锁后的次数，默认减1
                int c = getState() - releases;
                // 如果想要解锁的人不是当前的锁持有者，直接抛异常
                if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                boolean free = false;
                // 可重入次数为0，清空锁持有线程
                if (c == 0) {
                    free = true;
                    setExclusiveOwnerThread(null);
                }
                // 可重入次数还没到0，只需要改变一下下state就可
                setState(c);
                return free;
            }
        }

尝试释放锁，如果当前线程持有该锁，调用该方法默认会让AQS的state减1。

如果减1之后，state为0，当前线程会释放锁。

如果当前线程不是锁持有者而企图调用该方法，则抛出IllegalMonitorStateException异常。

## Condition实现生产者消费者 ##

Condition是用来代替传统Object中的wait()和notify()实现线程间的协作，**Condition的await()和signal()用于处理线程间协作更加安全与高效**。

Condition的使用**必须在lock()与unlock()之间使用**，且只能通过lock.newCondition()获取，实现原理我们之后会专门进行学习。

public class BlockingQueue {
    
        final Object[] items; // 缓冲数组
        final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 非公平独占锁
        final Condition notFull = lock.newCondition(); // 未满条件
        final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 未空条件
        private int putIdx; // 添加操作的指针
        private int takeIdx; // 获取操作的指针
        private int count; // 队列中元素个数
    
        public BlockingQueue(int capacity) {
            if(capacity < 0) throw new IllegalArgumentException();
            items = new Object[capacity];
        }
    
        // 插入
        public void put(Object item) throws InterruptedException {
            try {
                lock.lock(); // 上锁
                while (items.length == count) { // 满了
                    notFull.await(); // 其他插入线程阻塞起来
                }
                enqueue(item); // 没满就可以入队
            } finally {
                lock.unlock(); // 不要忘记解锁
            }
        }
        private void enqueue(Object item) {
            items[putIdx] = item;
            if (++putIdx == items.length) putIdx = 0; 
            count++;
            notEmpty.signal(); // 叫醒获取的线程
        }
    
        // 获取
        public Object take() throws InterruptedException {
            lock.lock();
            try {
                while (count == 0) {
                    notEmpty.await();// 阻塞其他获取线程
                }
                return dequeue();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        
        private Object dequeue() {
            Object x = items[takeIdx];
            items[takeIdx] = null;
            if (++takeIdx == items.length) takeIdx = 0;
            count--;
            notFull.signal(); // 叫醒其他的插入线程
            return x;
        }
    }

其实上面就是ArrayBlockingQueue删减版的部分实现，感兴趣的小伙伴可以看看源码的实现，源码上面针对并发还做了更细节的处理。

## 总结 ##

**API层面的独占锁**：ReentrantLock是底层使用AQS实现的**可重入的独占锁**，区别于synchronized原生语法层面实现锁语义，ReetrantLock通过`lock()`和`unlock()`两个方法显式地实现互斥锁。

**state与可重入**：AQS的state为0表示当前锁空闲，大于0表示该锁已经被占用，某一时刻只有一个线程可以获取该锁。可重入性是通过判断持锁线程是不是当前线程，如果是，state+1，释放锁时，state-1，为0时表示彻底释放。

**公平与非公平策略**：ReentrantLock拥有公平和非公平两种策略，区别在于**获取锁的时候是否会去检查阻塞队列中，是否存在当前线程的前驱节点**，默认是非公平锁策略。

**丰富的锁扩展**：提供了响应中断的获取锁方式lockInterruptibly，以及提供了快速响应的tryLock方法，及超时获取等等方法。

**condition**:*TODO*一个ReentrantLock对象**可以通过newCondition()同时绑定多个Condition对象，对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活**，这一点我们之后说到Condition的时候会再回过头说的。

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