Java多线程（二）——ReentrantLock源码分析-创新互联
ReentrantLock源码解析
当前题目：Java多线程（二）——ReentrantLock源码分析-创新互联
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ReentrantLock 是可重入的互斥锁，虽然具有与 Synchronized 相同的功能，但比 Synchronized 更加灵活。 ReentrantLock 底层基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现。
Reentrant 实现了 Lock 接口，其是 Java 对锁操作行为的统一规范，Lock接口定义如下:
public interface Lock{//获取锁
void lock();
//获取锁-可以响应中断
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
//尝试获取一次锁
boolean tryLock();
//返回获取锁是否成功状态 - 响应中断
boolean tryLock(long time,TimeUnit unit) throws InterrptedException;
//释放锁
void unlock();
//创建条件变量
Condition newCondition();
}使用 ReentrantLock 的 lock() 方法进行锁的获取，即上锁。使用 unlock() 方法进行解锁。
public class ReentrantLockDemo1 {public static void main(String[] args) {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try{ //临界区代码
}finally {//为避免临界区代码出现异常，导致锁无法释放，必须在finally中加上释放锁的语句
lock.unlock();
}
}
}ReentrantLock 也是可重入锁：
public class ReentrantLockDemo1 {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread() {@Override
public void run() {lock.lock();
try {//获取锁之后，在m1中进行锁的重入
m1();
} finally {lock.unlock();
}
}
private void m1() {lock.lock();
try {//临界区
} finally {lock.unlock();
}
}
};
public static void main(String[] args) {ReentrantLockDemo1 demo = new ReentrantLockDemo1();
demo.t1.start();
}
}
默认情况下，通过构造方法new ReentrantLock()获取的锁为非公平锁。
public class ReentrantLock{...
public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
...
}为观察公平与非公平的区别，我们尝试如下程序：
public class ReentrantLockDemo1 {//启用公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
Runnable run = new Runnable() {@Override
public void run() {for (int i = 100; i >0; i--) {lock.lock();
try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " got the lock");
} finally {lock.unlock();
}
}
}
};
public static void main(String[] args) {ReentrantLockDemo1 demo = new ReentrantLockDemo1();
Thread t1 = new Thread(demo.run,"t1");
Thread t2 = new Thread(demo.run,"t2");
t1.start();
t2.start();
}
}使用公平锁时，上述程序运行结果：
t1 got the lock
t2 got the lock
t1 got the lock
t2 got the lock
t1 got the lock
t2 got the lock
t1 got the lock
...- t1获取到锁的时候，t2发现有人持有锁，进入队列中排队
- t1释放锁的时候，唤醒t2，t2程序继续运行
- t1开始acquire()方法，而t2已经在判断自己是否为队列头，并尝试获取锁
- 正常情况t2会比t1更先获取到锁资源
- t1发现t2持有锁，t1进入队列中排队
- 循环上述情况导致运行结果如上。
使用非公平锁时，上述程序运行结果：
...
t1 got the lock
t1 got the lock
t1 got the lock
t1 got the lock
t2 got the lock
t2 got the lock
t2 got the lock
...- t1获取锁的时候，t2在队列中排队
- t1释放锁的时候，唤醒t2，t2程序继续运行
- t2还在尝试获取前驱，并tryAquire()时，t1已经在casState()了
- 正常情况t1会比t2更快获取到所资源
- t2发现t1有锁，t2进入队列中排队
- 循环上述情况导致运行结果如上。
ReentrantLock 首先调用 lock 方法尝试获取锁资源。
public void lock() {sync.lock();
}开启公平锁时，sync 对象为 FairSync 实例，开启非公平锁时，sync 对象为 NonFairSync 对象。
public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}观察公平与非公平的 lock() 实现方式的不同。我们发现：
公平锁在获取锁的时候，会直接进行 acquire() ，而非公平锁则是直接尝试 CAS 去更新锁资源的 state 变量，更新成功则获取到锁资源，如果获取不到，才会进入 acquire()。这里涉及到 AQS 的 state 与 双向链表数据结构，可以在AQS专题学习。
CAS + volatile 实现线程安全地更新变量CAS（CompareAndSwap）：在Java中，使用Unsafe类的compareAndSet()方法可以通过底层的 lock cmpxchg 指令实现原子性操作。
volatile ：保证了线程间的变量一致性，即可见性。
CAS + Volatile：多线程场景中，某个个线程通过 CAS 将 volatile 修饰的变量更新成功后，所有线程在使用该变量时，都可见该变量的最新值。从而保证，在多线程场景下，对该变量的修改，不会引起线程安全问题。
static final class FairSync extends Sync {...
final void lock() {//直接进入acquire
acquire(1);
}
}
static final class NonfairSync extends Sync { ...
final void lock() {//先尝试更新AQS的State竞争锁
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//直接获取锁失败时，才会进入acquire
acquire(1);
}
}compareAndSetState()：调用 Unsafe类提供的native层的原子性 CAS 操作。修改 AQS 中的 state 变量。
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}setExclusiveOwnerThread()：在 AQS 中将当前线程设置为锁的持有者
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {exclusiveOwnerThread = thread;
}FairSync 与 NonFairSync 都是 AQS 的子类，acquire() 是 AQS 向子类提供的模板方法。其中 tryAcquire() 方法需要子类重写实现。
public final void acquire(int arg) {//先根据公平与非公平不同的方式，进行尝试获取锁
if (!tryAcquire(arg) &&
//如果获取失败，则排队等待
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}tryAquire()方法需要子类重写实现，在 AQS 中，该方法仅抛出一个异常：
protected boolean tryAcquire(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
}先看到公平锁对 tryAquire() 的实现。公平锁的 tryAquire() 主要做了：
- 如果自己持有锁，则进行锁的重入
- 如果锁空闲，先看是否有人排队（非公平会直接CAS获取锁）
- 如果没有人排队，则CAS尝试获取所资源
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread();
//查看是否有人持有锁
int c = getState();
if (c == 0) {//如果没有人持有锁
//查看是否有人排队，如果没人排队则尝试CAS获取锁
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {//获取锁成功，将AQS持有锁的线程设置为本线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//锁的重入
int nextc = c + acquires;
if (nextc< 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//这里可以直接设置，同一个线程，不会有线程安全。
//state>0表示有人持有锁，state的具体数值表示锁的重入次数
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}而非公平锁则不同，非公平锁的 tryAquire() 主要做了：
- 如果自己持有锁，则进行锁的重入
- 如果锁空闲，直接CAS尝试获取锁（公平锁会先看是否有人排队)
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {//如果锁资源空闲，直接CAS尝试获取锁
if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//锁的重入
int nextc = c + acquires;
//重入次数过多，int类型会overflow变成负数
if (nextc< 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//锁重入，直接设置新的值，不会有线程安全问题
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}在acquire()模板方法中，如果tryAquire()没有获取到锁，将会准备在 AQS 中排队。主要工作：
- 将当前线程包装在 AQS 的 Node结构 中
- 插入 AQS 的双向队列的队尾
public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
private Node addWaiter(Node mode) {//将要入队的线程封装到 AQS 的 Node结构 中
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//获取队尾元素
Node pred = tail;
//如果队尾元素不为空，则跟在队尾元素之后
if (pred != null) {node.prev = pred;
//通过CAS保证线程安全地入队
if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;
return node;
}
}
//如果入队失败，通过enq来循环CAS，自旋尝试入队
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {for (;;) {Node t = tail;
//如果队尾为空，说明队中没有元素，连head都没有
if (t == null) {// Must initialize
//cas 使队头队尾指针指向空Node
//head->Node()<- tail
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {//线程安全地尝试插入队尾
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;
return t;
}
}
}
}通过addWaiter()，不论公平锁还是非公平锁，都将当前线程包装在Node结构中，并插入到 AQS 的双向链表的队列末尾。
而后在 acquireQueued() 中，视情况再次获取锁，或者直接尝试阻塞线程：
- 如果该线程所在的Node在队列中处于队头，可以tryAquire()再次尝试获取锁资源，公平锁与非公平锁都将直接 CAS 争取。（因为即使是公平锁，该线程也处在队头，
hasQueuedPredecessors()判断为真） - 如果获取失败，将做阻塞前的准备
- 阻塞准备完成后阻塞线程。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;
try {boolean interrupted = false;
for (;;) {//获取前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前驱是head（head是空节点），说明当前Node排在队头，尝试获取所资源
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果获取资源成功，则不阻塞当前线程，而是return回去，继续程序的执行
//同时将包装当前的Node清空，并变为新的head
setHead(node);
//将原来的头清空应用，等待GC回收
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//如果争锁失败，将会准备阻塞，如果本次准备失败，将会再循环一次到这里，准备成功即可阻塞。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {...
}
}shouldParkAfterFailedAcquire()做了阻塞线程前的判断，主要工作是：
- 如果前驱结点是正常的（waitStatus< 0），则当前线程可以阻塞。
- 如果前驱结点的waitStatus==0，说明刚被初始化，还没被使用，CAS尝试将其更新为waitStatus = -1；
- 如果前驱结点的waitStatus>0，则该前驱结点是要被废弃的，更新链表结构，抛弃废弃的前驱结点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)//waitStatus = -1
return true;//前驱结点正常，当前线程可以阻塞
if (ws >0) {//waitStatus = CANCELLED = 1
do {//更新前驱节点，将node的前驱引用指向更前一个
//pred = pred.prev;
//node.prev = pred;
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus >0);
//最后将可用的前驱结点指向node自己，从而抛弃中间若干个废弃的节点
pred.next = node;
} else {//如果node的waitStatus<0 但不是-1，只需要都统一更新为-1即可。
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}准备工作完成，就可以进入线程阻塞，parkAndCheckInterrupt()方法通过Unsafe类实现线程的阻塞。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
//LockSupport:
public static void park(Object blocker) {Thread t = Thread.currentThread();
//设置写屏障 write barrier
setBlocker(t, blocker);
//通过UNSAFE类的park()native方法进行线程的阻塞。
UNSAFE.park(false, 0L);
//设置写屏障 write barrier
setBlocker(t, null);
}
不论是公平锁还是非公平锁，解锁的实现是一致的：
- 每次解锁，都对state值减1
- 如果state的值变为了0，说明即使重入的锁，也都完全退出
- 将 AQS 对持有锁线程的引用置为null
- 唤醒等待队列中的某个线程
//ReentrantLock
public void unlock() {sync.release(1);
}
//Sync extends AQS
public final boolean release(int arg) {//解锁
if (tryRelease(arg)) {Node h = head;
//如果解锁完成，如果队列中有元素，则唤醒队列中的某个线程
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//Sync
protected final boolean tryRelease(int releases) {//计算本次解锁后 state 的值
int c = getState() - releases;
//如果要解锁的不是持有锁的线程，说明程序出了问题
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//如果解锁后的值为 0，说明彻底解锁
if (c == 0) {free = true;
//去掉 AQS 对持有锁线程的引用
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//设置新的state值
setState(c);
return free;
}
其中，解锁后需要唤醒队列中的某个线程，主要流程是:
- 如果队列中有元素，就会进入 unparkSuccessor() 进行唤醒
- 将node的waitStatus值设为0，变为初始化状态
- 获取其后继节点
- 如果有后继节点，则唤醒该节点
- 如果没有后继节点，或者后继节点是废弃的（waitStatus=1），从队尾往前循环找到下一个可用的前驱节点，并唤醒它
- 如果全是废弃的，那么什么也不做。
private void unparkSuccessor(Node node) {//获取头结点的waitStatus
int ws = node.waitStatus;
if (ws< 0)
//如果头结点是个被复用的空节点，把它设置为初始化状态，即waitStatus = 0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//获取头结点的后继节点
Node s = node.next;
//如果没有后继节点，或者后继节点废弃
if (s == null || s.waitStatus >0) {s = null;
//从队尾往前寻找一个可用的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus<= 0)
s = t;
}
//如果最后找到一个可用的节点，那么唤醒其绑定的线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}至此，ReentrantLock 的加锁与解锁全部分析完成。最后附上非公平锁的加锁时序图：
3.为什么Sync实现nonfairTryAcquire()?因为 tryLock() 没有公平与非公平的概念，都是走非公平的逻辑，调用sync.nonfaireTryAquire()，即：
- 如果锁空闲，则CAS一次，尝试获取锁
- 如果锁非空闲，但可重入，则重入
- 1和2都失败，则return false。
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