ReentrantLock

ReentrantLock是基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)来实现的。是一个重入锁：一个线程获得了锁之后仍然可以反复的加锁，不会出现自己阻塞自己的情况。

AQS是Java并发包里实现锁、同步的一个重要的基础框架。

锁类型

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，可以通过构造方法来指定具体类型：

// 默认非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
// 公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

默认一般使用非公平锁，它的效率和吞吐量都比公平锁高的多(后面会分析具体原因)。

获取锁

通常的使用方式如下：

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run() {
    lock.lock();
    try {
        // do bussiness
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

公平锁获取锁

首先看下获取锁的过程：

public void lock() {
    sync.lock();
}

可以看到是使用sync的方法，而这个方法是一个抽象方法，具体是由其子类(FairSync)来实现的，以下是公平锁的实现：

final void lock() {
   acquire(1);
}

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

第一步是尝试获取锁(tryAcquire(arg))，这个也是由其子类实现：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
	final Thread current = Thread.currentThread();
	int c = getState();
	if (c == 0) {
		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;
}

首先会判断AQS中的state是否等于0，0表示目前没有其他线程获得锁，当前线程就可以尝试获取锁。

注意：尝试之前会利用hasQueuedPredecessors()方法来判断AQS的队列中是否有其他线程，如果有则不会尝试获取锁(这是公平锁特有的情况)。

如果队列中没有线程就利用CAS来将AQS中的state修改为1，也就是获取锁，获取成功则将当前线程置为获得锁的独占线程(setExclusiveOwnerThread(current))。

如果state大于0时，说明锁已经被获取了，则需要判断获取锁的线程是否为当前线程(ReentrantLock支持重入)，则需要将state + 1，并将值更新。

写入队列

如果tryAcquire(arg)获取锁失败，则需要用addWaiter(Node.EXCLUSIVE)将当前线程写入队列中。

写入之前需要将当前线程包装为一个Node对象(addWaiter(Node.EXCLUSIVE))。

AQS 中的队列是由 Node 节点组成的双向链表实现的。

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

首先判断队列是否为空，不为空时则将封装好的Node 利用CAS写入队尾，如果出现并发写入失败就需要调用enq(node);来写入了。

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

这个处理逻辑就相当于自旋加上CAS保证一定能写入队列。

挂起等待线程

写入队列之后需要将当前线程挂起(利用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))：

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 GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

首先会根据node.predecessor()获取到上一个节点是否为头节点，如果是则尝试获取一次锁，获取成功就万事大吉了。

如果不是头节点，或者获取锁失败，则会根据上一个节点的waitStatus状态来处理(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))。

• waitStatus用于记录当前节点的状态，如节点取消、节点等待等。

• shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回当前线程是否需要挂起，如果需要则调用parkAndCheckInterrupt()：

// 利用LockSupport的part方法来挂起当前线程的，直到被唤醒。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

非公平锁获取锁

公平锁与非公平锁的差异主要在获取锁：

• 公平锁就相当于买票，后来的人需要排到队尾依次买票，不能插队。而非公平锁则没有这些规则，是抢占模式，每来一个人不会去管队列如何，直接尝试获取锁。

  • 非公平锁:

  final void lock() {
      // 直接尝试获取锁
      if (compareAndSetState(0, 1))
          setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
      else
          acquire(1);
  }
  

  • 公平锁:

  final void lock() {
      acquire(1);
  }
  

• 还要一个重要的区别是在尝试获取锁时tryAcquire(arg)，非公平锁是不需要判断队列中是否还有其他线程，也是直接尝试获取锁：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 没有 !hasQueuedPredecessors() 判断
        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;
}

上述逻辑主要包括：

• 如果当前状态为初始状态，那么尝试设置状态；

• 如果状态设置成功后就返回；

• 如果状态被设置，且获取锁的线程又是当前线程的时候，进行状态的自增；

• 如果未设置成功状态且当前线程不是获取锁的线程，那么返回失败。

释放锁

公平锁和非公平锁的释放流程都是一样的：

public void unlock() {
    sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
        	   // 唤醒被挂起的线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
// 尝试释放锁
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;
}

首先会判断当前线程是否为获得锁的线程，由于是重入锁所以需要将state减到0才认为完全释放锁。

释放之后需要调用unparkSuccessor(h)来唤醒被挂起的线程。

示例

• ReentrantLockTest，CustomReentrantLockTest

总结

由于公平锁需要关心队列的情况，得按照队列里的先后顺序来获取锁(会造成大量的线程上下文切换)，而非公平锁则没有这个限制。所以，非公平锁的效率比公平锁更高。

References

• ReentrantLock 实现原理

• ReentrantLock(重入锁)以及公平性