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ReentrantLock原理分析

ReentrantLock是Java并发包中提供的一个可重入的互斥锁,它拥有与synchronized相同的作用,但却比synchronized有更好的性能,在许多高并发编程中都会用到它。由于大部分同学都只停留在了API调用的层次,对ReentrantLock的原理一知半解,甚至一无所知,因此写下了这篇文章,让同学们真正的把ReentrantLock给拿下!

本文将会从以下几个方面去进行分享:

  • 使用场景
  • 源码实现
  • 设计思想

使用场景

public class ReentrantLockTest {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method() {
        lock.lock();
        // do something
        lock.unlock();
    }
}
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ReentrantLock的使用十分简单,在同步代码块前调用lock()加锁,同步代码块之后调用unlock()释放锁就可以了。另外要注意,lock()和unlock()必须成双成对的出现。如果同步代码块可能抛出异常,则必须把unlock()调用放在finally块里。

源码实现

打开lock()查看它的实现。

public void lock() {
    sync.lock();
}
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它通过调用了sync的lock()方法来完成加锁,我们去看下sync的定义。

private final ReentrantLock.Sync sync;
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Sync是一个内部类,我们去看下它的lock()实现。

abstract void lock();
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很明显,有子类继承了Sync,这时候我们可以去看sync的初始化代码,看看是使用了哪个子类对sync进行了初始化。

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
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有两个子类用于sync的初始化,FairSync和NonfairSync。这其实就是我们所熟知的公平锁和非公平锁。ReentrantLock默认情况下使用了非公平锁,当然也可以在创建ReentrantLock的时候显示指定。

现在我们先去看下非公平锁NonfairSync对lock()的实现。

final void lock() {
    // 这步快速尝试获取锁的操作,公平锁里边没有
    if (this.compareAndSetState(0, 1)) {
        this.setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    } else {
        this.acquire(1);
    }
}
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查看代码可知,非公平锁一上来就先调用一把compareAndSetState(),尝试获取锁,这个对于已经在锁队列里苦苦等待的其他线程,是非常不公平的。划重点了,同学们,这里是公平锁和非公平锁的重要区别。

现在我们来看compareAndSetState()的实现。

protected final boolean compareAndSetState(int var1, int var2) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, var1, var2);
}
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原理是通过unsafe提供的CAS原子操作进行state的值更新。另外发现compareAndSetState()是位于AbstractQueuedSynchronizer类中的,继而发现,Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer,我们需要更新的state也位于AbstractQueuedSynchronizer中。

private volatile int state;
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state记录了锁重入的次数,如果为0,那么表示当前没有线程持有此锁,此时使用一个CAS操作即可快速完成锁的申请,这便是快速尝试。

当快速尝试失败之后,将会调用acquire()方法,acquire()也是来自于AbstractQueuedSynchronizer,我们看下代码。

public final void acquire(int var1) {
    if (!this.tryAcquire(var1) && this.acquireQueued(this.addWaiter(Node.EXCLUSIVE), var1)) {
        selfInterrupt();
    }
}
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先tryAcquire()一下,万一自己是个锁二代(锁重入)呢,那就爽歪歪了,获取锁成功,直接撤退走人!

来看下非公平锁是怎么获取锁的,打开tryAcquire()的源码。

protected final boolean tryAcquire(int var1) {
    return this.nonfairTryAcquire(var1);
}
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继续查看Sync中的nonfairTryAcquire()。

final boolean nonfairTryAcquire(int var1) {
    // 获取当前线程
    Thread var2 = Thread.currentThread();
    // 获取锁重人次数
    int var3 = this.getState();
    // lock还没有被任何线程霸占,赶紧快速尝试一把加锁
    if (var3 == 0) {
        if (this.compareAndSetState(0, var1)) {
            this.setExclusiveOwnerThread(var2);
            return true;
        }
    } 
    // lock已经被线程霸占了,检查一下是不是自己人,如果是的话,那当前线程就是锁二代了,state加1
    else if (var2 == this.getExclusiveOwnerThread()) {
        int var4 = var3 + var1;
        // 锁重入的次数不能超过Ingteger.MAX_VALUE,不然会爆炸
        if (var4 < 0) {
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        }
        this.setState(var4);
        return true;
    }
	// 既没有创业成功,也不是锁二代,就只有失败的命运了
    return false;
}
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看完nonfairTryAcquire()的操作,我们知道非公平锁的锁重入是怎么玩的了。

如果线程没有获取到锁,就只能去队列里等待锁了,也就是调用addWaiter()方法,我们来看下它的实现。

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 构造一个Node,与当前线程绑定,mode传入的是Node.EXCLUSIVE,代表独占锁
    Node var2 = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 获取队列末尾节点
    Node var3 = this.tail;
    // 末尾节点非空,CAS快速尝试,把自己更新为末尾节点
    if (var3 != null) {
        var2.prev = var3;
        if (this.compareAndSetTail(var3, var2)) {
            var3.next = var2;
            return var2;
        }
    }
    // 末尾节点不存在,或者更新末尾节点失败了
    this.enq(var2);
    return var2;
}
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当末尾节点为null,或者更新末尾节点失败了,那就调用enq()进行处理。

private Node enq(Node var1) {
    // 注意这里的while(true),不达目的不罢休
    while(true) {
        Node var2 = this.tail;
        // 末尾节点为空,意味着整个队列都为空,头节点自然不存在,那就来初始化一波头尾节点
        if (var2 == null) {
            // 通过CAS更新头节点,从这行代码我们也可以知道,锁队列里的头节点是空的,没有和任何线程绑定
            if (this.compareAndSetHead(new Node())) {
                // 此时头节点和末尾节点是同一个
                this.tail = this.head;
            }
        } 
        // 末尾节点已经存在,直接CAS把自己更新为末尾节点
        else {
            var1.prev = var2;
            if (this.compareAndSetTail(var2, var1)) {
                var2.next = var1;
                return var2;
            }
        }
    }
}
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用上了while(true),保证了enq()返回后,当前线程一定是被加入到了锁队列的末尾。

当前线程对应的Node加入队列末尾之后,接着调用了acquireQueued(),我们来看下这个方法干了什么事。

final boolean acquireQueued(Node var1, int var2) {
    // 标识该方法返回时,当前线程是否已获得锁,默认值true代表没有抢到
    boolean var3 = true;

    try {
        // 标识一下当前线程在睡觉时候有没有被叫醒过
        boolean var4 = false;
		// 自旋获取锁
        while(true) {
        	// 获取当前节点的上一个节点 
            Node var5 = var1.predecessor();
            // 如果上一个节点是头节点的话,就可以直接尝试抢锁
            if (var5 == this.head && this.tryAcquire(var2)) {
                //把自己设置为头节点
                this.setHead(var1);
                // 解除上一任头节点的依赖,让它早日被GC干掉
                var5.next = null;
                // 标识我已经抢锁成功啦
                var3 = false;
                // 最终的返回值,居然是当前线程睡觉时候有没有被叫醒过
                boolean var6 = var4;
                return var6;
            }
			// 当前节点不在头节点之后,或者在头节点之后,但是抢锁失败了
            // 调用shouldParkAfterFailedAcquire(),为自己找到一个归宿(让上一个节点完事之后通知自己),然后就可以调用parkAndCheckInterrupt()让自己去休眠了
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(var5, var1) && this.parkAndCheckInterrupt()) {					
                // 睡觉时被意外唤醒,记录一下,自己也是发生过中断的男人了
                var4 = true;
            }
        }
        
    } finally {
        // 如果var3为true,则证明线程没有拿到锁,并且它已经废了,所以方法退出前,得调用cancelAcquire()给线程收尸
        if (var3) {
            this.cancelAcquire(var1);
        }
    }
}
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线程被加入到队列之后,就是疯狂自旋的干上面这几件事情:找人叫醒自己,睡觉,被叫醒,周而复始,直到自己拿到了锁,然后离开。

至于线程怎么找人叫醒自己的,我们来看shouldParkAfterFailedAcquire()的实现。

// var0是上一个节点,var1是当前节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node var0, Node var1) {
    int var2 = var0.waitStatus;
    // 上一个节点满足被叫醒的条件,那也就意味着上一个节点早晚会抢锁,用完锁后自然会通知自己,这样的话,自己就可以安心去睡觉了
    if (var2 == -1) {
        return true;
    } else {
        // 上一个节点放弃抢锁啦,指望不上了,继续往前寻找可靠的节点作为依靠
        if (var2 > 0) {
            do {
                var1.prev = var0 = var0.prev;
            } while(var0.waitStatus > 0);
			
            var0.next = var1;
        } else {	// waitStatus不大于0,CAS把它设置为-1(满足被唤醒的条件),但是设置不一定会成功
            compareAndSetWaitStatus(var0, var2, -1);
        }
		// 这一波操作,没有找到唤醒自己的人,睡不成啰
        return false;
    }
}
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既然睡不成,那还是继续去看看有没有抢锁资格吧,有就抢一把,就这样周而复始的的循环下去。

当某一时刻,线程找到了能叫醒自己的人,这时候它就可以去睡觉了,去睡觉自然就是调用parkAndCheckInterrupt()方法。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 划重点了,同学们,线程阻塞就是调用这个API来完成的,底层的实现是用的unsafe.park()
    LockSupport.park(this);
    // 线程睡醒了,但是它要判断一下睡觉期间有没有发生过中断
    return Thread.interrupted();
}
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如果发生过中断,则parkAndCheckInterrupt()会返回true。这是我们再去看acquire()方法,它会执行selfInterrupt()。

static void selfInterrupt() {
    // 给线程标记上中断位,这可谓中断会延迟处理,但是从未缺席
    Thread.currentThread().interrupt();
}
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同学们,到这里lock()就分析完了。现在我们接着来看看unlock()是怎么玩的。

public void unlock() {
    this.sync.release(1);
}
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看样子是调用了AQS的release()方法,我们接着看。

public final boolean release(int var1) {
    // 释放锁,只有state变为0了才会返回true
    if (this.tryRelease(var1)) {
        Node var2 = this.head;
        // 头节点不为空,代表队列不为空,waitStatus不为0,代表它有后继节点,因此可以去唤醒下家去抢锁
        if (var2 != null && var2.waitStatus != 0) {
            this.unparkSuccessor(var2);
        }
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}
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调用tryRelease()方法释放锁,看下它的实现。

protected final boolean tryRelease(int var1) {
    // state减1后的结果
    int var2 = this.getState() - var1;
    // 如果线程不是当前锁的线程,那就玩大啦,吃不了逗着走,直接抛出异常
    if (Thread.currentThread() != this.getExclusiveOwnerThread()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
    } else {
        // 标识锁是不是已经完全释放了
        boolean var3 = false;
        // 没有线程占用锁了,可以让下一个线程来持锁了
        if (var2 == 0) {
            // 锁完全释放了就返回true
            var3 = true;
            // 把锁的持有者设置为null
            this.setExclusiveOwnerThread((Thread)null);
        }
		// 更新state值
        this.setState(var2);
        return var3;
    }
}
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如果锁完全释放了,那么就得唤醒下家去抢锁。具体是怎么寻找下家的呢,看一下unparkSuccessor()。

private void unparkSuccessor(Node var1) {
    int var2 = var1.waitStatus;
    if (var2 < 0) {
        // 将头节点设置为初始状态
        compareAndSetWaitStatus(var1, var2, 0);
    }

    Node var3 = var1.next;
    if (var3 == null || var3.waitStatus > 0) {
        var3 = null;
		// 从队列的末尾节点往前找下家,最终是找到队列里(头节点除外)最前面的节点,作为唤醒对象
        for(Node var4 = this.tail; var4 != null && var4 != var1; var4 = var4.prev) {
            if (var4.waitStatus <= 0) {
                var3 = var4;
            }
        }
    }
	// 唤醒这个节点
    if (var3 != null) {
        LockSupport.unpark(var3.thread);
    }
}
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非公平锁到这里就讲完了,至于tryLock()方法,相信同学们在看完为上面lock()的分享,已经可以自己独立把它拿下了,现在我们来讲一下公平锁。前面已经提到了公平锁和非公平锁的一个区别,就是lock()里的tryAcquire()实现有所不同。非公平锁任何一个新加入的线程都可以参与抢锁,但是公平锁就得老老实实排队,讲究个先来后到,具体来看下吧。

protected final boolean tryAcquire(int var1) {
    Thread var2 = Thread.currentThread();
    int var3 = this.getState();
    if (var3 == 0) {
        // hasQueuedPredecessors()很关键,它是公平性的核心体现
        if (!this.hasQueuedPredecessors() && this.compareAndSetState(0, var1)) {
            this.setExclusiveOwnerThread(var2);
            return true;
        }
    } else if (var2 == this.getExclusiveOwnerThread()) {
        // 锁重入
        int var4 = var3 + var1;
        if (var4 < 0) {
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        }
        this.setState(var4);
        return true;
    }
	// 抢锁失败了
    return false;
}
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hasQueuedPredecessors()的作用是当满足以下两种条件中的一种时,线程就能获得抢锁的资格: 1. 锁同步队列里只有一个节点;2. 第二个节点属于当前线程。

设计思想

先看一下AQS内部维护的锁同步队列。

ReentrantLock通过使用AQS来实现加解锁。AQS内部维护了一个双向链表的锁同步队列,并维护头节点head,尾节点tail和信号量state。每个节点是一个Node对象,对象中定义了prev,next分别指向它的上下游,还有一个waitStatus对象用于表示线程状态(等锁或已放弃)。当有新的线程需要抢锁时,新建一个和线程映射的Node,加入到锁同步队列的末尾。当然这里有个重点,在加入的时候会做判断,如果当前末尾节点处于放弃状态,那么会继续往前遍历,寻找一个可靠的节点作为上游。AQS内部的state为0时,资源未被占用,线程可进行CAS操作更新state,如果更新成功则代表加锁成功。如果state不为0,则意味着资源已经被线程占用。如果占用者是自己,那么可以进行重入,如果占用者不是自己,那么就老老实实等着。

关于ReentrantLock的源码讲解和原理分析,到这里就全部结束啦。后续还会更新更多关于Java并发包的其他干货,同学们一定要结合起来阅读,相辅相成,形成一个完整的知识体系。最后,喜欢我文章的同学们,欢迎关注下面的公众号,不错过任何有价值的干货。

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