深入源码谈谈ReentrantLock中的公平锁和非公平锁的加锁机制

前言

ReentrantLock和synchronized一样都是实现线程同步，但是像比synchronized它更加灵活、强大、增加了轮询、超时、中断等高级功能，可以更加精细化的控制线程同步，它是基于AQS实现的锁，他支持公平锁和非公平锁，同时他也是可重入锁和自旋锁。本章将基于源码来探索一下ReentrantLock的加锁机制，文中如果存在理解不到位的地方，还请提出宝贵意见共同探讨，不吝赐教。

公平锁和非公平锁的加锁机制流程图：
在这里插入图片描述

一、ReentrantLock的公平锁

使用ReentrantLock的公平锁，调用lock进行加锁，lock方法的源码如下：

final void lock() {acquire(1);
}public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}

可以看到，FairLock首先调用了tryAcquire,tryAcquire源码如下：

/*** Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless* recursive call or no waiters or is first.*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {//如果队列中不存在等待的线程或者当前线程在队列头部，则基于CAS进行加锁if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}//是否可以进行锁重入else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires;if (nextc < 0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;
}

从源码中可以看到，当state为0，即没有线程获取到锁时，FairLock首先会调用hasQueuedPredecessors()方法检查队列中是否有等待的线程或者自己是否在队列头部，如果队列中不存在等待的线程或者自己在队列头部则调用compareAndSetState()方法基于CAS操作进行加锁，如果CAS操作成功，则调用setExclusiveOwnerThread设置加锁线程为当前线程。当state不为0，即有线程占用锁的时候会判断占有锁的线程是否是当前线程，如果是的话则可以直接获取到锁，这就是ReentrantLock是可重入锁的体现。

如果通过调用tryAcquire没有获取到锁，从源码中我们可以看到，FairLock会调用addWaiter()方法将当前线程加入CLH队列中，addWaiter方法源码如下：

private Node addWaiter(Node mode) {Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// Try the fast path of enq; backup to full enq on failureNode pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;//基于CAS将当前线程节点加入队列尾部if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}//如果CAS操作失败，则调用enq自旋加入队列enq(node);return node;
}private Node enq(final Node node) {for (;;) {Node t = tail;if (t == null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}}

在addWaiter方法中，会CAS操作将当前线程节点加入队列尾部，如果第一次CAS失败，则会调用enq方法通过自旋的方式，多次尝试进行CAS操作将当前线程加入队列。
将当前线程加入队列之后，会调用acquireQueued方法实现当前线程的自旋加锁，acquireQueued源码如下：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;try {boolean interrupted = false;for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return interrupted;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}}

在acquireQueued方法中每次自旋首先会调用predecessor()方法获取，当前线程节点的前节点，如果发现前节点是head节点，则说明当前线程节点处于对头（head是傀儡节点），那么则调用tryAcquire尽心加锁。如果当前线程节点不在队列头部，那么则会调用shouldParkAfterFailedAcquire方法判断当前线程节点是否可以挂起知道前节点释放锁时唤醒自己，如果可以挂起，则调用parkAndCheckInterrupt实现挂起操作。
shouldParkAfterFailedAcquire源码如下：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {int ws = pred.waitStatus;if (ws == Node.SIGNAL)/** This node has already set status asking a release* to signal it, so it can safely park.*/return true;if (ws > 0) {/** Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and* indicate retry.*/do {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);pred.next = node;} else {/** waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we* need a signal, but don't park yet.  Caller will need to* retry to make sure it cannot acquire before parking.*/compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;}

shouldParkAfterFailedAcquire源码中，如果当前线程节点的前节点的waitStatus状态为SIGNAL（-1）时，表明前节点已经设置了释放锁时唤醒（unpark）它的后节点，那么当前线程节点可以安心阻塞（park），等待它的前节点在unlock时唤醒自己继续尝试加锁。如果前节点的waitStatus状态>0,即为CANCELLED (1)，表明前节点已经放弃了获取锁，那么则会继续往前找，找到一个能够在unlock时唤醒自己的线程节点为止。如果前节点waitStatus状态是CONDITION （-2），即处于等待条件的状态，则会基于CAS尝试设置前节点状态为SIGNAL（主动干预前节点达到唤醒自己的目的）。
parkAndCheckInterrupt源码：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {LockSupport.park(this);return Thread.interrupted();}

二、ReentrantLock的非公平锁

和公平锁加锁机制不同的是，非公平锁一上来不管队列中是否还存在线程，就直接使用CAS操作进行尝试加锁（这就是它的非公平的体现），源码如下：

 final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1))setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());elseacquire(1);
}public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}

如果CAS操作失败（一上来就吃了个闭门羹），则调用acquire方法进行后续的尝试和等待。从源码中可以看到，首先回调用tryAcquire方法进行再次尝试加锁或者锁重入，NoFairLockd的tryAcquire方法源码如下：

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) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;}

可以看到NoFairLock的tryAcquire方法和FairLock的tryAcquire方法唯一不同之处是NoFairLock中尝试加锁前不需要调用hasQueuedPredecessors方法判断队列中是否存在其他线程，而是直接进行CAS操作加锁。那么如果再次尝试加锁或者锁重入失败，则会进行后续的和公平锁完全一样的操作流程（不再赘述），即：加入队列（addWaiter）–>自旋加锁(acquireQueued)。

三、unlock解锁

说完了公平锁和非公平锁的加锁机制，我们再顺带简单的看看解锁源码。unlock源码如下：

public void unlock() {sync.release(1);
}public final boolean release(int arg) {//尝试释放锁if (tryRelease(arg)) {Node h = head;//锁释放成后唤醒后边阻塞的线程节点if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);return true;}return false;
}