关于java:不能再被问住了ReentrantLock-源码画图一起看一看

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前言

在浏览完 JUC 包下的 AQS 源码之后，其中有很多疑难，最大的疑难就是 state 到底是什么含意？并且 AQS 次要定义了队列的出入，然而获取资源、开释资源都是交给子类实现的，那子类是怎么实现的呢？上面开始理解 ReentrantLock。

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一个可重入的互斥锁与隐式监视器锁 synchronized 具备雷同的根本行为和语义，但性能更弱小。

具备以下特色：

互斥性：同时只有一个线程能够获取到该锁，此时其余线程申请获取锁，会被阻塞，而后被放到该锁外部保护的一个 AQS 阻塞队列中。
可重入性：保护 state 变量，初始为 0，当一个线程获取到锁时，state 应用 cas 更新为 1，本线程再次申请获取锁，会对 state 进行 CAS 递增，反复获取次数即 state，最多为 2147483647。试图超出此限度会从锁定办法抛出 Error。
偏心 / 非公平性：在初始化时，能够通过结构器传参，指定是否为偏心锁，还是非偏心锁。当设置为 true 时，为偏心锁，线程争用锁时，会偏向于等待时间最长的线程。

class X {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // ...

    public void m() {lock.lock();  // block until condition holds
        try {// ... method body} finally {lock.unlock()
        }
}
}

首先在浏览本文时，对 AQS 有了肯定的理解，如果不理解的话，能够看一下之前的文章。图文解说 AQS

在 AQS 中介绍 state 时，说 state 含意由子类进行定义，那在 ReentrantLock 中 state 代表什么？
ReentrantLock 和 AQS 有什么关系？
线程是如何获取到锁的？
锁的可重入性是如何实现的？
以后线程获取锁失败，被阻塞的后续操作是什么？
偏心锁和非偏心锁是如何体现的？
锁是如何开释的？

将通过源码及画图的形式，围绕下面几个问题，开展浏览和剖析。

根本构造如图所示，ReentrantLock 类实现了接口 Lock，在接口 Lock 中定义了应用锁时的办法，办法及含意如下：

public interface Lock {
    
    // 获取锁，如果没有获取到，会阻塞。void lock();

    // 获取锁，如果没有获取到，会阻塞。响应中断。void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    // 尝试获取锁，如果获取到，返回 true，没有获取到 返回 false
    boolean tryLock();

    // 尝试获取锁，没有有获取到，会期待指定工夫，响应中断。boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    // 开释锁
    void unlock();}

而 ReentrantLock 也只是实现了 Lock 接口，并实现了这些办法，那 ReentrantLock 和 AQS 到底有什么关系呢？这就须要看外部具体如何实现的了。

通过下面类图能够看出，在 ReentrantLock 中含有两个外部类，别离是 NonfairSync FairSync 而它俩又实现了抽象类 Sync，抽象类 Sync 继承了 AbstractQueuedSynchronizer 即 AQS。具体代码如下：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {

    private final Sync sync;

    // 锁的同步控制根底类。子类具体到偏心和非偏心的版本。应用 AQS 状态来示意持有该锁的数量。abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 省略 ...}

    static final class NonfairSync extends Sync {// 非偏心锁逻辑 省略 ...}

    static final class FairSync extends Sync {// 偏心锁逻辑 省略 ...}
    // 默认非偏心锁
    public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();
    }
    // 依据传参指定偏心锁还是非偏心锁，true 偏心锁，false 非偏心锁
    public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}
}

通过下面代码能够看出：

锁的根本管制是由 NonfairSync 和 FairSync 进行管制的，而它俩的父类 Sync 继承了 AQS (AbstractQueuedSynchronizer)，这也就是说明 ReentrantLock 的实现和 AQS 是无关的。
NonfairSync 代表非偏心锁实现逻辑，FairSync 代表偏心锁实现逻辑。
结构器传参能够看出，初始化时，默认为 NonfairSync 非偏心锁。也能够指定申明为偏心锁或非偏心锁，传参 true 为偏心锁，false 为非偏心锁。

具体 ReentrantLock 和 AQS 的关系是怎么的，就须要通过加锁的过程来剖析了。

如图所示，默认申明非偏心锁，lock 办法外部调用 sync.lock(); 此时应该是应用的非偏心锁外部的 lock 加锁操作。

final void lock() {
    // 通过 CAS 设置 state 值 0 -> 1
    if (compareAndSetState(0, 1))
        // 设置胜利以后线程获取到了锁
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        // 设置失败，则调用 AQS 的办法，尝试获取锁。acquire(1);
}

首先会应用 CAS 更新 state 的值，此时就会发现，state 在这里代表的锁的状态。0 未加锁，1 加锁。
设置失败，会调用 AQS 的 acquire(1); 办法。

再看下 AQS 的 acquire 代码：

public final void acquire(int arg) {
    // tryAcquire 尝试获取 state，获取失败则会退出到队列
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();}

在之前剖析 AQS 源码时，曾经介绍 tryAcquire 是尝试获取 state 的值，AQS 中并不提供可用的办法，此处是由子类实现的。所以这块代码还是在 NonfairSync 类中本人实现的业务逻辑。

static final class NonfairSync extends Sync {
    // NonfairSync 实现
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 调用父类的办法
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // NonfairSync 的父类 Sync 中有实现
    // state 传参是 1
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        // 获取以后线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取 state
        int c = getState();
        // 如果 c 是 0 
        if (c == 0) {
            // 应用 cas 更新为 1
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 设置持有线程为以后
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 如果是以后线程持有
            // 对 state 进行累加
            int nextc = c + acquires;
            // 不容许超过 int 的最大值 2147483647 + 1 = -2147483648
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 设置 state 的值
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

以后线程加锁，间接应用 CAS 形式对 state 从 0 更新为 1，更新胜利，则取得锁，更新失败，则获取失败。
更新失败后会调用 AQS 的 acquire(1); 办法，此处传参为 1。
tryAcquire 再次尝试获取锁。
1. state 是 0，尝试获取。获取胜利返回 true；
2. state 不是 0，判断是否为以后线程持有，是以后线程持有则对 state 进行累加。
tryAcquire 获取锁失败，则走 AQS 的 acquireQueued 逻辑，创立节点，并退出到期待队列中。

流程画图如下：

初始为单个线程

此时其余线程来申请获取锁

加锁流程图

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

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

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 判断有无节点排队
            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;
    }
}

拉进去代码比拟一下：

能够看出在偏心锁（FairSync）中多了一个判断条件

!hasQueuedPredecessors()

hasQueuedPredecessors 办法在 AQS 中，如果有以后线程后面的线程排队返回 true，如果以后线程是在队列的头部或队列为空，返回 false。

代码如下：

public final boolean hasQueuedPredecessors() {

    Node t = tail; 
    Node h = head;
    Node s;

    return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

如果以后加锁时曾经有节点在排队，那就去节点尾部排队，否则才会去抢占锁。

到这里基本上曾经晓得偏心锁和非偏心锁的区别了：

非偏心锁： 不论有没有节点在排队，都会试图去获取锁，如果获取失败，进入 acquire 办法，还是会试图获取一次，之后才会进入队列中。

偏心锁： 曾经有节点在排队，那就本人去节点前面排队。


public boolean tryLock() {return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

间接调用的 Sync 中的 nonfairTryAcquire，尝试获取锁，获取失败，就返回 false，获取到锁或者是以后线程持有锁则对 state 累加后都返回 true。

public void unlock() {sync.release(1);
}

发现 unlock 间接调用的 AQS 的 release 办法，进行开释资源。

public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

这块在 AQS 中有介绍，也阐明 tryRelease 由子类进行实现，当初在 ReentrantLock 重点关注 tryRelease 的实现。

// 开释资源，传入值为 1
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;
}

获取以后的 state 进行 -1 操作；
判断了下以后线程是否为持有线程；
如果开释完之后 state 为 0，则设置持有线程为 null；
更新并返回 state 的值。

通过下面的源码及画图，基本上对开始的问题曾经有了答案：

Q：在 AQS 中介绍 state 时，说 state 含意由子类进行定义，那在 ReentrantLock 中 state 代表什么？
A：在 ReentrantLock 中 state 代表加锁状态，0 没有线程取得锁，大于等于 1 曾经有线程取得锁，大于 1 阐明该取得锁的线程多次重入。

Q：ReentrantLock 和 AQS 有什么关系？
A：ReentrantLock 外部基于 AQS 实现，无论是锁状态，还是进入期待队列，锁开释等都是基于 AQS 实现。ReentrantLock 的偏心锁和非偏心锁都是 NonfairSync、FairSync 来实现的，而他们的父类 Sync 继承了 AQS。

Q：线程是如何获取到锁的？
A：线程通过批改 state 字段的状态来获取到锁。

Q：锁的可重入性是如何实现的？
A：以后线程发现 state 不是 0，则阐明有锁曾经被获取了，此时会判断以后获取到锁的线程是不是本人，如果是，则对 state 进行累加。

Q：以后线程获取锁失败，被阻塞的后续操作是什么？
A：获取失败，会放到 AQS 期待队列中，在队列中一直循环，监督前一个节点是否为 head，是的话，会从新尝试获取锁。

Q：偏心锁和非偏心锁是如何体现的？
A：偏心锁次要体现在如果以后队列中曾经有排队的线程了，则本人间接排在前面。非偏心锁是不论以后队列都没有线程排队，都会间接尝试批改 state 获取锁。

Q：锁是如何开释的？
A：锁开释资源，行将 state 进行 -1 操作，如果 -1 后 state 为 0，则开释节点，后续节点尝试获取锁。此处能够看 AQS 相干逻辑。

正文完

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发表至： java

2020-11-05

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源码剖析

根本构造

lock

偏心锁是如何体现的

tryLock

unlock

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