1. ReentrantLock介绍
Java中提供锁，一般就是synchronized和lock锁，ReentrantLock是互斥锁，跟synchronized一样。
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如果竞争比较激烈，推荐lock锁，效率更高
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如果几乎没有竞争，推荐synchronized
原因：synchronized只有锁升级，当升级到重量级锁后，无法降级到轻量级、偏向锁。
ReentrantLock与synchronized对比：
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lock锁的使用相对synchronized成本更高。
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synchronized是非公平锁，lock是公平+非公平锁
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lock锁提供的功能更完善，lock可以使用tryLock指定等待锁的时间
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synchronized基于对象实现，lock锁基于AQS+CAS实现
ReentrantLock的使用方式：
class X {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// ...
public void m() {
lock.lock(); // block until condition holds
try {
// ... method body
} finally {
lock.unlock()
}
}
}
2. ReentrantLock源码
ReentrantLock是基于AQS+CAS实现的
AQS中的重要属性：
private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 标识拿到锁的是哪个线程
private transient volatile Node head; // 标识头节点
private transient volatile Node tail; // 标识尾节点
private volatile int state; // 同步状态，为0时，说明可以抢锁
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exclusiveOwnerThread属性来自抽象类AbstractOwnableSynchronizer，用来标识拿到锁的是哪个线程
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state是AQS中的一个由volatile修饰的int类型变量，多个线程会通过CAS的方式修改state，在并发情况下，只会有一个线程成功的修改state（从0~1）
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AQS中的双向链表是基于内部类Node在维护，Node中包含prev，next，thread属性，并且在AQS中还有两个属性，分别是head（头），tail（尾）。
2.1 构造器
- ReentrantLock中维护了一个Sync的实例，抽象类Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer，所有AQS相关功能都由Sync的子类实现
- Sync有两个子类，分别实现了公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync），Sync的实例会在构造ReentrantLock对象时创建
private final Sync sync;
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
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无参构造方法，默认创建非公平锁；
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有参构造方法，并且fair==true时，创建公平锁。
2.2 lock方法
非公平锁：上来先尝试将state从0修改为1，如果成功，代表获取锁资源。如果没有成功，调用acquire方法
公平锁：调用acquire方法
// 非公平锁的sync的lock方法
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
// 公平锁的sync的lock方法
final void lock() {
acquire(1);
}
2.3 acquire方法
acquire是一个业务方法，里面并没有实际的业务处理，都是在调用其他方法
// 核心acquire arg = 1
public final void acquire(int arg) {
//1. 调用tryAcquire方法：尝试获取锁资源（非公平、公平），拿到锁资源，返回true，直接结束方法。 没有拿到锁资源，
// 需要执行&&后面的方法
//2. 当没有获取锁资源后，会先调用addWaiter：会将没有获取到锁资源的线程封装为Node对象，
// 并且插入到AQS的队列的末尾，并且作为tail
//3. 继续调用acquireQueued方法，查看当前排队的Node是否在队列的前面，如果在前面（head的next），尝试获取锁资源
// 如果没在前面，尝试将线程挂起，阻塞起来！
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
2.4 tryAcquire方法
tryAcquire分为公平和非公平两种、
tryAcquire主要做了两件事：
- 如果state为0，尝试获取锁资源
- 如果state不为0，看一下是不是锁重入操作
非公平：
// 非公平锁实现！
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
// 拿到当前线程！
final Thread current = Thread.currentThread();
// 拿到AQS的state
int c = getState();
// 如果state == 0，说明没有线程占用着当前的锁资源
if (c == 0) {
// 没人占用锁资源，我直接抢一波（不管有没有线程在排队）
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
// 将当前占用这个互斥锁的线程属性设置为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
// 返回true，拿锁成功
return true;
}
}
// 当前state != 0，说明有线程占用着锁资源
// 判断拿着锁的线程是不是当前线程（锁重入）
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 将state再次+1
int nextc = c + acquires;
// 锁重入是否超过最大限制
// 01111111 11111111 11111111 11111111 + 1
// 10000000 00000000 00000000 00000000
// 抛出error
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 将值设置给state
setState(nextc);
// 返回true，拿锁成功
return true;
}
return false;
}
公平锁：
// 公平锁实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 拿到当前线程！
final Thread current = Thread.currentThread();
// 拿到AQS的state
int c = getState();
if (c == 0) {
// 判断是否有线程在排队，如果有线程排队，返回true，配上前面的!，那会直接不执行返回最外层的false
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果没有线程排队，直接CAS尝试获取锁资源
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;
}
2.5 addWaiter方法
在获取锁资源失败后，需要将当前线程封装为Node对象，并且插入到AQS队列的末尾
// 将当前线程封装为Node对象，并且插入到AQS队列的末尾
private Node addWaiter(Node mode) {
// 将当前线程封装为Node对象，mode为null，代表互斥锁
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// pred是tail节点
Node pred = tail;
// 如果pred不为null，有线程正在排队
if (pred != null) {
// 将当前节点的prev，指定tail尾节点
node.prev = pred;
// 以CAS的方式，将当前节点变为tail节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 之前的tail的next指向当前节点
pred.next = node;
return node;
}
}
// 添加的流程为， 自己prev指向、tail指向自己、前节点next指向我
// 如果上述方式，CAS操作失败，导致加入到AQS末尾失败，如果失败，就基于enq的方式添加到AQS队列
enq(node);
return node;
}
// enq，无论怎样都添加进入
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
// 拿到tail
Node t = tail;
// 如果tail为null，说明当前没有Node在队列中
if (t == null) {
// 创建一个新的Node作为head，并且将tail和head指向一个Node
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 和上述代码一致！
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
为什么唤醒线程时，为啥从尾部往前找，而不是从前往后找？
因为在addWaiter操作时，是先将当前Node的prev指针指向前面的节点，然后是将tail赋值给当前Node，最后才是能上一个节点的next指针，指向当前Node。
如果从前往后，通过next去找，可能会丢失某个节点，导致这个节点不会被唤醒
如果从后往前找，肯定可以找到全部的节点。
2.6 acquireQueued方法
acquireQueued方法会查看当前排队的Node是否是head的next，如果是，尝试获取锁资源，如果不是或者获取锁资源失败那么就尝试将当前Node的线程挂起（unsafe.park()）
在挂起线程前，需要确认当前节点的上一个节点的状态必须是小于等于0，
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如果为1，代表是取消的节点，不能挂起
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如果为-1，代表挂起当前线程
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如果为-2，-3，需要将状态改为-1之后，才能挂起当前线程
// acquireQueued方法
// 查看当前排队的Node是否是head的next，
// 如果是，尝试获取锁资源，
// 如果不是或者获取锁资源失败那么就尝试将当前Node的线程挂起（unsafe.park()）
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标识。
boolean failed = true;
try {
// 循环走起
for (;;) {
// 拿到上一个节点
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && // 说明当前节点是head的next
tryAcquire(arg)) { // 竞争锁资源，成功：true，失败：false
// 进来说明拿到锁资源成功
// 将当前节点置位head，thread和prev属性置位null
setHead(node);
// 帮助快速GC
p.next = null;
// 设置获取锁资源成功
failed = false;
// 不管线程中断。
return interrupted;
}
// 如果不是或者获取锁资源失败,尝试将线程挂起
// 第一个事情，当前节点的上一个节点的状态正常！
// 第二个事情，挂起线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 通过LockSupport将当前线程挂起
parkAndCheckInterrupt())
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
// 确保上一个节点状态是正确的
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 拿到上一个节点的状态
int ws = pred.waitStatus;
// 如果上一个节点为 -1
if (ws == Node.SIGNAL)
// 返回true，挂起线程
return true;
// 如果上一个节点是取消状态
if (ws > 0) {
// 循环往前找，找到一个状态小于等于0的节点
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 将小于等于0的节点状态该为-1
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
2.7 unlock方法
释放锁资源：
- 将state-1。
- 如果state减为0了，唤醒在队列中排队的Node。（一定唤醒离head最近的）
释放锁不分公平和非公平，就一个方法。
// 真正释放锁资源的方法
public final boolean release(int arg) {
// 核心的释放锁资源方法
if (tryRelease(arg)) {
// 释放锁资源释放干净了。 （state == 0）
Node h = head;
// 如果头节点不为null，并且头节点的状态不为0，唤醒排队的线程
if (h != null && h.waitStatus != 0)、
// 唤醒线程
unparkSuccessor(h);
return true;
}
// 释放锁成功，但是state != 0
return false;
}
// 核心的释放锁资源方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 获取state - 1
int c = getState() - releases;
// 如果释放锁的线程不是占用锁的线程，抛异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否成功的将锁资源释放利索 （state == 0）
boolean free = false;
if (c == 0) {
// 锁资源释放干净。
free = true;
// 将占用锁资源的属性设置为null
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 将state赋值
setState(c);
// 返回true，代表释放干净了
return free;
}
// 唤醒节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 拿到头节点状态
int ws = node.waitStatus;
// 如果头节点状态小于0，换为0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 拿到当前节点的next
Node s = node.next;
// 如果s == null ，或者s的状态为1
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
// next节点不需要唤醒，需要唤醒next的next
s = null;
// 从尾部往前找，找到状态正常的节点。（小于等于0代表正常状态）
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 经过循环的获取，如果拿到状态正常的节点，并且不为null
if (s != null)
// 唤醒线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
PS
本文中的源码均来自于JDK8（整理时对照JDK17源码发现AQS和ReentrantLock的代码实现方式已有不同，原理学习影响不大）
