JUC第十三讲：JUC锁: ReentrantLock详解

本文是JUC第十三讲，JUC锁：ReentrantLock详解。可重入锁 ReentrantLock 的底层是通过 AbstractQueuedSynchronizer 实现，所以先要学习上一章节 AbstractQueuedSynchronizer 详解。

1、带着BAT大厂的面试问题去理解

请带着这些问题继续后文，会很大程度上帮助你更好的理解相关知识点。

• 什么是可重入，什么是可重入锁? 它用来解决什么问题? 一定程度避免死锁
• ReentrantLock的核心是AQS，那么它怎么来实现的，继承吗? 说说其类内部结构关系。独占模式
• ReentrantLock是如何实现公平锁的?
• ReentrantLock是如何实现非公平锁的?
• ReentrantLock默认实现的是公平还是非公平锁? 非公平
• 使用ReentrantLock实现公平和非公平锁的示例?
• ReentrantLock和Synchronized的对比?

2、ReentrantLock源码分析

2.1、类的继承关系

ReentrantLock实现了Lock接口，Lock接口中定义了lock与unlock相关操作，并且还存在newCondition方法，表示生成一个条件。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable

2.2、类的内部类

ReentrantLock总共有三个内部类，并且三个内部类是紧密相关的，下面先看三个类的关系。

说明：ReentrantLock类内部总共存在Sync、NonfairSync、FairSync三个类，NonfairSync与FairSync类继承自Sync类，Sync类继承自 AbstractQueuedSynchronizer 抽象类。下面逐个进行分析。

• Sync类

Sync类的源码如下:

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 序列号private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;// 获取锁abstract void lock();// 非公平方式获取final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {// 当前线程final Thread current = Thread.currentThread();// 获取状态int c = getState();// 表示没有线程正在竞争该锁if (c == 0) {// 比较并设置状态成功，状态0表示锁没有被占用if (compareAndSetState(0, acquires)) {// 设置当前线程独占setExclusiveOwnerThread(current); return true; // 成功}}// 当前线程拥有该锁else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 增加重入次数int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");// 设置状态setState(nextc); // 成功return true; }// 失败return false;}// 实现AQS提供的拓展点// 试图在共享模式下获取对象状态，此方法应该查询是否允许它在共享模式下获取对象状态，如果允许，则获取它protected final boolean tryRelease(int releases) {int c = getState() - releases;// 当前线程不为独占线程if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException(); // 抛出异常// 释放标识boolean free = false; if (c == 0) {free = true;// 已经释放，清空独占setExclusiveOwnerThread(null); }// 设置标识setState(c); return free; }// 判断资源是否被当前线程占有protected final boolean isHeldExclusively() {// While we must in general read state before owner,// we don't need to do so to check if current thread is ownerreturn getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();}// 新生一个条件final ConditionObject newCondition() {return new ConditionObject();}// Methods relayed from outer class// 返回资源的占用线程final Thread getOwner() {return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();}// 返回状态final int getHoldCount() {return isHeldExclusively() ? getState() : 0;}// 资源是否被占用final boolean isLocked() {return getState() != 0;}/*** Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).*/// 自定义反序列化逻辑private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {s.defaultReadObject();setState(0); // reset to unlocked state}
}　　

Sync类存在如下方法和作用如下。

• NonfairSync类

NonfairSync类继承了Sync类，表示采用非公平策略获取锁，其实现了Sync类中抽象的lock方法，源码如下：

// 非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync {// 版本号private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;// 获得锁final void lock() {// 比较并设置状态成功，状态0表示锁没有被占用if (compareAndSetState(0, 1))// 把当前线程设置独占了锁setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());else // 锁已经被占用，或者set失败// 以独占模式获取对象，忽略中断acquire(1);}protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);}
}

说明：从lock方法的源码可知，每一次都尝试获取锁，而并不会按照公平等待的原则进行等待，让等待时间最久的线程获得锁。

• FairSync类

FairSync类也继承了Sync类，表示采用公平策略获取锁，其实现了Sync类中的抽象lock方法，源码如下：

// 公平锁
static final class FairSync extends Sync {// 版本序列化private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;final void lock() {// 以独占模式获取对象，忽略中断acquire(1);}/*** Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless* recursive call or no waiters or is first.*/// 尝试公平获取锁  AQS抽象类提供的拓展点protected final boolean tryAcquire(int acquires) {// 获取当前线程final Thread current = Thread.currentThread();// 获取状态int c = getState();if (c == 0) { // 状态为0// 不存在已经等待更久的线程 并且比较并且设置状态成功if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {// 设置当前线程独占setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}// 状态不为0，即资源已经被线程占据else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 下一个状态int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // 超过了int的表示范围throw new Error("Maximum lock count exceeded");// 设置状态setState(nextc);return true;}return false;}
}

说明：跟踪lock方法的源码可知，当资源空闲时，它总是会先判断sync队列（AbstractQueuedSynchronizer中的数据结构）是否有等待时间更长的线程，如果存在，则将该线程加入到等待队列的尾部，实现了公平获取原则。其中，FairSync类的lock的方法调用如下，只给出了主要的方法。

说明：可以看出只要资源被其他线程占用，该线程就会添加到sync queue中的尾部，而不会先尝试获取资源。这也是和Nonfair最大的区别，Nonfair每一次都会尝试去获取资源，如果此时该资源恰好被释放，则会被当前线程获取，这就造成了不公平的现象，当获取不成功，再加入队列尾部。

2.3、类的属性

ReentrantLock类的sync非常重要，对 ReentrantLock 类的操作大部分都直接转化为对Sync和 AbstractQueuedSynchronizer 类的操作。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {// 序列号private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;    // 同步队列private final Sync sync;
}

2.4、类的构造函数

• ReentrantLock() 型构造函数

默认是采用的非公平策略获取锁

public ReentrantLock() {// 默认非公平策略sync = new NonfairSync();
}

• ReentrantLock(boolean) 型构造函数

可以传递参数确定采用公平策略或者是非公平策略，参数为true表示公平策略，否则，采用非公平策略:

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

2.5、核心函数分析

通过分析ReentrantLock的源码，可知对其操作都转化为对Sync对象的操作，由于Sync继承了AQS，所以基本上都可以转化为对AQS的操作。如将ReentrantLock的lock函数转化为对Sync的lock函数的调用，而具体会根据采用的策略(如公平策略或者非公平策略)的不同而调用到Sync的不同子类。

所以可知，在ReentrantLock的背后，是AQS对其服务提供了支持，由于之前我们分析AQS的核心源码，遂不再累赘。下面还是通过例子来更进一步分析源码。

3、示例分析

3.1、公平锁

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;class MyThread extends Thread {private Lock lock;public MyThread(String name, Lock lock) {super(name);this.lock = lock;}public void run () {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread() + " running");try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}} finally {lock.unlock();}}
}public class AbstractQueuedSynchronizerDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Lock lock = new ReentrantLock(true);MyThread t1 = new MyThread("t1", lock);        MyThread t2 = new MyThread("t2", lock);MyThread t3 = new MyThread("t3", lock);t1.start();t2.start();    t3.start();}
}

运行结果(某一次):

Thread[t1,5,main] running
Thread[t2,5,main] running
Thread[t3,5,main] running

说明: 该示例使用的是公平策略，由结果可知，可能会存在如下一种时序。

说明: 首先，t1线程的lock操作 -> t2线程的lock操作 -> t3线程的lock操作 -> t1线程的unlock操作 -> t2线程的unlock操作 -> t3线程的unlock操作。根据这个时序图来进一步分析源码的工作流程。

• t1线程执行lock.lock，下图给出了方法调用中的主要方法。
  

说明: 由调用流程可知，t1线程成功获取了资源，可以继续执行。

• t2线程执行 lock.lock，下图给出了方法调用中的主要方法。

说明: 由上图可知，最后的结果是t2线程会被禁止，因为调用了LockSupport.park。

• t3线程执行lock.lock，下图给出了方法调用中的主要方法。

说明：由上图可知，最后的结果是t3线程会被禁止，因为调用了LockSupport.park。

• t1线程调用了lock.unlock，下图给出了方法调用中的主要方法。
  

说明：如上图所示，最后，head的状态会变为0，t2线程会被unpark，即t2线程可以继续运行。此时t3线程还是被禁止。

• t2获得cpu资源，继续运行，由于t2之前被park了，现在需要恢复之前的状态，下图给出了方法调用中的主要方法。

说明：在setHead函数中会将head设置为之前head的下一个结点，并且将pre域与thread域都设置为null，在acquireQueued返回之前，sync queue就只有两个结点了。

• t2执行lock.unlock，下图给出了方法调用中的主要方法。
  

说明: 由上图可知，最终unpark t3线程，让t3线程可以继续运行。

• t3线程获取cpu资源，恢复之前的状态，继续运行。

说明: 最终达到的状态是sync queue中只剩下了一个结点，并且该节点除了状态为0外，其余均为null。

• t3执行lock.unlock，下图给出了方法调用中的主要方法。

说明: 最后的状态和之前的状态是一样的，队列中有一个空节点，头节点为尾节点均指向它。

使用公平策略和Condition的情况可以参考上一篇关于AQS的源码示例分析部分，不再累赘。

4、参考文章

• 【JUC】JDK1.8源码分析之ReentrantLock（三）