关于java:JDK源码分析ReentrantLock

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1. 概述

在 JDK 1.5 以前，锁的实现只能用 synchronized 关键字；1.5 开始提供了 ReentrantLock，它是 API 层面的锁。先看下 ReentrantLock 的类签名以及如何应用：

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

典型用法：

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

该用法和应用 synchronized 关键字成果是一样的。既然有了 synchronized，为什么又会有 Lock 呢？相比于 synchronized，其实 ReentrantLock 的呈现并不反复，它减少了不少性能，上面先简略介绍几个概念：

• 偏心锁 & 非偏心锁

所谓锁是否偏心，简略了解就是一系列线程获取到锁的程序是否遵循「先来后到」。即，如果先申请锁的线程先获取到锁，就是偏心锁；否则就是非偏心锁。ReentrantLock 的默认实现和 synchronized 都是非偏心锁。

• 可重入锁

锁是否可重入，就是一个线程是否能够屡次获取同一个锁，若是，就是可重入锁。ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁。

2. 代码剖析

2.1 结构器

ReentrantLock 有两个结构器，别离如下：

private final Sync sync;

// 结构一个 ReentrantLock 实例（非偏心锁）public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();
}

// 结构一个 ReentrantLock 实例（指定是否偏心）public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}

能够看到，两个结构器都是初始化一个 Sync 类型的成员变量。而且，当 boolean 值 fair 为 true 时，初始化的 sync 为 FairSync，为 false 时初始化为 NonFairSync，二者别离示意「偏心锁」和「非偏心锁」。能够看到无参结构默认是非偏心锁。

2.2 罕用办法

ReentrantLock 罕用的办法就是 Lock 接口定义的几个办法，如下：

// 获取锁（阻塞式）public void lock() {sync.lock();
}

// 获取锁（响应中断）public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {sync.acquireInterruptibly(1);
}

// 尝试获取锁
public boolean tryLock() {return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

// 尝试获取锁（有超时期待）public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

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

能够看到，这几个办法外部都是通过调用 Sync 类（或其子类）的办法来实现，因而先从 Sync 类动手剖析，代码如下（局部省略）：

// 抽象类，继承了 AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

    // 获取锁的办法，由子类实现
    abstract void lock();

    // 非偏心锁的 tryLock 办法实现
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取 AQS 的 state 变量
        int c = getState();
        // 若为 0，示意以后没有被其余线程占用
        if (c == 0) {
            // CAS 批改 state，若批改胜利，示意胜利获取资源
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 将以后线程设置为 owner，到这里示意以后线程胜利获取资源
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // state 不为 0，且 owner 为以后线程
        // 示意以后线程曾经获取到了资源，这里示意“重入”else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 批改 state 值（因为以后线程曾经获取资源，不存在竞争，因而无需 CAS 操作）setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 开释锁操作（对 state 做减法）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;
            // 胜利开释后将 owner 设为空
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        // 批改 state 的值
        // PS: 因为可能存在“重入”，因而一次开释操作后以后线程仍有可能占用资源，// 所以不会间接把 state 设为 0
        setState(c);
        return free;
    }
    
    // 其余办法...
    
    final boolean isLocked() {return getState() != 0;
    }
}

Sync 类继承自 AQS，其中 nonfairTryAcquire 办法是非偏心锁 tryAcquire 办法的实现。

从下面代码能够看出，锁的获取和开释是通过批改 AQS 的 state 变量来实现的。lock 办法能够看做对 state 执行“加法”操作，而 unlock 能够看做对 state 执行“减法”操作，当 state 为 0 时，示意以后没有线程占用资源。

2.3 偏心锁 & 非偏心锁

2.3.1 非偏心锁 NonFairSync

static final class NonfairSync extends Sync {final void lock() {
        // CAS 尝试将 state 值批改为 1
        if (compareAndSetState(0, 1))
            // 若批改胜利，则将以后线程设为 owner，示意胜利获取锁
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        // 若获取失败，则执行 AQS 的 acquire 办法（独占模式获取资源）else
            acquire(1);
    }
    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

能够看到，非偏心锁的 lock 操作为：先尝试以 CAS 形式批改 state 的值，若批改胜利，则示意胜利获取到锁，将 owner 设为以后线程；否则就执行 AQS 中的 acquire 办法，具体可参考前文「JDK 源码剖析 -AbstractQueuedSynchronizer(2)」，这里不再赘述。

2.3.2 偏心锁 FairSync

static final class FairSync extends Sync {final void lock() {acquire(1);
    }
    
    // 偏心锁的 tryAcquire 实现
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // state 为 0，示意资源未被占用
        if (c == 0) {
            // 若队列中有其余线程在排队期待，则返回 false，示意获取失败；//   否则，再尝试去批改 state 的值
            // PS: 这里是偏心锁与非偏心锁的区别所在
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 若以后线程已占用了锁，则“重入”else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

能够看到，与非偏心锁相比，偏心锁的不同之处在于减少了判断条件 hasQueuedPredecessors，即首先判断主队列中是否有其余线程在期待，当没有其余线程在排队时再去获取，否则获取失败。

hasQueuedPredecessors 在 AQS 中实现如下：

/**
 * Queries whether any threads have been waiting to acquire longer
 * than the current thread.
 */
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    // The correctness of this depends on head being initialized
    // before tail and on head.next being accurate if the current
    // thread is first in queue.
    Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

3. 小结

synchronized 与 ReentrantLock 比拟：

• 相同点：二者都是互斥锁，可重入，默认都是非偏心锁。
• 不同点：synchronized 是语法层面实现，主动获取锁和开释锁；ReentrantLock 是 API 层面实现，手动获取锁和开释锁。

ReentrantLock 相比 synchronized 的劣势：

1. 可响应中断；
2. 获取锁可设置超时；
3. 可实现偏心锁；
4. 可绑定多个条件（Condition）。

PS: JDK 1.6 当前，synchronized 与 ReentrantLock 性能根本持平，JVM 将来的性能优化也会更偏差于原生的 synchronized。因而，如何抉择还要依据理论需要，性能不再是不抉择 synchronized 的起因了。

相干浏览：

JDK 源码剖析 -Lock&Condition

JDK 源码剖析 -AbstractQueuedSynchronizer(2)