可重入锁-synchronized是可重入锁吗?ReentrantLock如何实现可重入的?

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前言

    面试题:synchronized是可重入锁吗?

    答案:synchronized是可重入锁。ReentrantLock也是的。



1、什么是可重入锁呢?

    关于什么是可重入锁,我们先来看一段维基百科的定义。

若一个程序或子程序可以“在任意时刻被中断然后操作系统调度执行另外一段代码,这段代码又调用了该子程序不会出错”,则称其为可重入(reentrant或re-entrant)的。即当该子程序正在运行时,执行线程可以再次进入并执行它,仍然获得符合设计时预期的结果。与多线程并发执行的线程安全不同,可重入强调对单个线程执行时重新进入同一个子程序仍然是安全的。

    通俗来说:当线程请求一个由其它线程持有的对象锁时,该线程会阻塞,而当线程请求由自己持有的对象锁时,如果该锁是重入锁,请求就会成功,否则阻塞。

    再换句话说:可重入就是说某个线程已经获得某个锁,可以再次获取锁而不会出现死锁。



2、自己写代码验证下可重入和不可重入

    我们启动一个线程t1,调用addOne()方法来执行加1操作。在addOne方法里面t1会获得rtl锁,然后调用get()方法,在get()方法里再次请求获取trl锁。

    因为最终能打印value=1,说明t1在第二次获取锁的时候并没有阻塞。说明ReentrantLock是可重入锁。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantTest {
    private final Lock rtl = new ReentrantLock();
    int value = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantTest test = new ReentrantTest();
        // 新建一个线程 进行加1操作
        Thread t1 = new Thread(() -> test.addOne());
        t1.start();
	// main线程等待t1线程执行完
        t1.join();
        System.out.println(test.value);
    }


    public int get() {
        // 获取锁
        rtl.lock();
        try {
            return value;
        } finally {
            // 保证锁能释放
            rtl.unlock();
        }
    }

    public void addOne() {
        // 获取锁
        rtl.lock();
        try {
            value = 1 + get();
        } finally {
            // 保证锁能释放
            rtl.unlock();
        }
    }
}
复制代码

    换成synchronized的加锁方式,同样能打印value的值。证明synchronized也是可重入锁。

public class ReentrantTest {
    private final Object object = new Object();
    int value = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantTest test = new ReentrantTest();
        // 新建一个线程 进行加1操作
        Thread t1 = new Thread(() -> test.addOne());
        t1.start();

        t1.join();
        System.out.println(test.value);
    }


    public int get() {
        // 再此获取锁
        synchronized (object) {
            return value;
        }
    }

    public void addOne() {
        // 获取锁
        synchronized (object) {
            value = 1 + get();
        }
    }
}
复制代码



3、自己如何实现一个可重入和不可重入锁呢

不可重入:

public class Lock{
    private boolean isLocked = false;
    public synchronized void lock()
            throws InterruptedException{
        while(isLocked){
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }

    public synchronized void unlock(){
        isLocked = false;
        notify();
    }
} 
复制代码

可重入:

public class Lock{
    boolean isLocked = false;
    Thread  lockedBy = null;
    int lockedCount = 0;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException{
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        while(isLocked && lockedBy != callingThread){
            wait();
        }
        isLocked = true;
        lockedCount++;
        lockedBy = callingThread;
    }
    public synchronized void unlock(){
        if(Thread.curentThread() == this.lockedBy){
            lockedCount--;
            if(lockedCount == 0){
                isLocked = false;
                notify();
            }
        }
    }
}
复制代码

    从代码实现来看,可重入锁增加了两个状态,锁的计数器和被锁的线程,实现基本上和不可重入的实现一样,如果不同的线程进来,这个锁是没有问题的,但是如果进行递归计算的时候,如果加锁,不可重入锁就会出现死锁的问题。



4、ReentrantLock如何实现可重入的

使用ReentrantLock你要知道: ReentrantLock支持公平非公平2种创建方式,默认创建的是非公平模式的锁。

看下它的构造方法:

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

看下非公平锁,它是继承抽象类Sync的:

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    /**
     * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
     * acquire on failure.
     */
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}
复制代码

看下公平锁,它也是继承抽象类Sync的:

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

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

    /**
     * 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) {
            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;
    }
}
复制代码

    NonfairSync、FairSync 和抽象类Sync 都是ReentrantLock的内部类。

    Sync的定义,它是继承AbstractQueuedSynchronizer的,AbstractQueuedSynchronizer既是我们常说的AQS(后面我也会整理一篇)

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}
复制代码

    好了,继承关系清楚了 ,现在我们看下ReentrantLock是如何实现可重入的

    我们在addOne()和get()两个方法加锁的地方都打上断点。然后开始调式:

  • addOne方法获取锁的时候走到NonfairSync的“compareAndSetState(0, 1)”,通过CAS设置state的值为1,调用成功,并设置当前锁被持有的线程为当前线程t1;
  • 继续调试,get方法获取锁的时候走到NonfairSync的“compareAndSetState(0, 1)”,通过CAS设置state的值为1,调用失败(因为已经被当前线程t1锁占有),走到else里面,继续往里看;
  • 走到NonfairSync的tryAcquire方法,再往里走;
  • 会调用Sync抽象类里面的nonfairTryAcquire方法。源码解释我都写在下面了。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
	// 当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
// state变量的值
    int c = getState();
// 因为c当前值为1,所以走else里面
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
// 判断当前线程 是不是 当前锁被持有的线程 ,判断为 true
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// c + acquires = 1 + 1 = 2
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);// 将state的值赋值为2
        return true;
    }
    return false;
}
复制代码

    到此,可重入锁加锁的过程分析完毕。解锁的过程一样,希望你能自己debug下【调用的是Sync抽象类里面的tryRelease方法】

    我这里总结一下:

  • 当线程尝试获取锁时,可重入锁先尝试获取并更新state值

如果state == 0表示没有其他线程在执行同步代码,则通过CAS把state置为1 会成功,当前线程继续执行。 如果status != 0,通过CAS把state置为1 会失败,然后判断当前线程是否是获取到这个锁的线程,如果是的话执行state+1,且当前线程可以再次获取锁。

  • 释放锁时,可重入锁同样先获取当前state的值,在当前线程是持有锁的线程的前提下。

如果status-1 == 0,则表示当前线程所有重复获取锁的操作都已经执行完毕,然后该线程才会真正释放锁。

    你需要注意的是state变量的定义,其实AQS的实现类都是通过控制state的值来控制锁的状态的。它被volatile所修饰,能保证可见性

private volatile int state;
复制代码

    扩展:如果要通过AQS的state来实现非可重入锁怎么实现呢?明确这两点就可以了:

  • 获取锁时:去获取并尝试更新当前status的值,如果status != 0的话会导致其获取锁失败,当前线程阻塞。
  • 释放锁时:在确定当前线程是持有锁的线程之后,直接将status置为0,将锁释放。



5、可重入锁的特点

    可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。     可重入锁能避免一定线程的等待,可想而知可重入锁性能会高于非可重入锁。你可以写程序测试一下哦!!!

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