深入淺析ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)原理

深入淺析ReentrantL中實(shí)現(xiàn)ock的原理？相信很多沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人對(duì)此束手無(wú)策，為此本文總結(jié)了問(wèn)題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過(guò)這篇文章希望你能解決這個(gè)問(wèn)題。

1 synchronized和lock

    1.1 synchronized的局限性
    1.2 Lock簡(jiǎn)介

2 AQS

3 lock()與unlock()實(shí)現(xiàn)原理

    3.1 基礎(chǔ)知識(shí)
    3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    3.3 NonfairSync
    3.3.1 lock()
    3.3.2 unlock()
    3.3.3 小結(jié)
    3.4 FairSync

4 超時(shí)機(jī)制

5 總結(jié)

1 synchronized和lock

1.1 synchronized的局限性

synchronized是java內(nèi)置的關(guān)鍵字，它提供了一種獨(dú)占的加鎖方式。synchronized的獲取和釋放鎖由JVM實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)不需要顯示的釋放鎖，非常方便。然而synchronized也有一定的局限性，例如：

當(dāng)線程嘗試獲取鎖的時(shí)候，如果獲取不到鎖會(huì)一直阻塞。

如果獲取鎖的線程進(jìn)入休眠或者阻塞，除非當(dāng)前線程異常，否則其他線程嘗試獲取鎖必須一直等待。

JDK1.5之后發(fā)布，加入了Doug Lea實(shí)現(xiàn)的concurrent包。包內(nèi)提供了Lock類(lèi)，用來(lái)提供更多擴(kuò)展的加鎖功能。Lock彌補(bǔ)了synchronized的局限，提供了更加細(xì)粒度的加鎖功能。

1.2 Lock簡(jiǎn)介

Lock api如下

void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();

其中最常用的就是lock和unlock操作了。因?yàn)槭褂胠ock時(shí)，需要手動(dòng)的釋放鎖，所以需要使用try..catch來(lái)包住業(yè)務(wù)代碼，并且在finally中釋放鎖。典型使用如下

private Lock lock = new ReentrantLock();
public void test(){
 lock.lock();
 try{
 doSomeThing();
 }catch (Exception e){
 // ignored
 }finally {
 lock.unlock();
 }
}

2 AQS

AbstractQueuedSynchronizer簡(jiǎn)稱(chēng)AQS，是一個(gè)用于構(gòu)建鎖和同步容器的框架。事實(shí)上concurrent包內(nèi)許多類(lèi)都是基于AQS構(gòu)建，例如ReentrantLock，Semaphore，CountDownLatch，ReentrantReadWriteLock，F(xiàn)utureTask等。AQS解決了在實(shí)現(xiàn)同步容器時(shí)設(shè)計(jì)的大量細(xì)節(jié)問(wèn)題。

AQS使用一個(gè)FIFO的隊(duì)列表示排隊(duì)等待鎖的線程，隊(duì)列頭節(jié)點(diǎn)稱(chēng)作“哨兵節(jié)點(diǎn)”或者“啞節(jié)點(diǎn)”，它不與任何線程關(guān)聯(lián)。其他的節(jié)點(diǎn)與等待線程關(guān)聯(lián)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)等待狀態(tài)waitStatus。如圖

AQS中還有一個(gè)表示狀態(tài)的字段state，例如ReentrantLocky用它表示線程重入鎖的次數(shù)，Semaphore用它表示剩余的許可數(shù)量，F(xiàn)utureTask用它表示任務(wù)的狀態(tài)。對(duì)state變量值的更新都采用CAS操作保證更新操作的原子性。

AbstractQueuedSynchronizer繼承了AbstractOwnableSynchronizer，這個(gè)類(lèi)只有一個(gè)變量：exclusiveOwnerThread，表示當(dāng)前占用該鎖的線程，并且提供了相應(yīng)的get，set方法。

理解AQS可以幫助我們更好的理解JCU包中的同步容器。

3 lock()與unlock()實(shí)現(xiàn)原理

3.1 基礎(chǔ)知識(shí)

ReentrantLock是Lock的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)之一。那么lock()和unlock()是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？首先我們要弄清楚幾個(gè)概念

可重入鎖。可重入鎖是指同一個(gè)線程可以多次獲取同一把鎖。ReentrantLock和synchronized都是可重入鎖。

可中斷鎖。可中斷鎖是指線程嘗試獲取鎖的過(guò)程中，是否可以響應(yīng)中斷。synchronized是不可中斷鎖，而ReentrantLock則提供了中斷功能。

公平鎖與非公平鎖。公平鎖是指多個(gè)線程同時(shí)嘗試獲取同一把鎖時(shí)，獲取鎖的順序按照線程達(dá)到的順序，而非公平鎖則允許線程“插隊(duì)”。synchronized是非公平鎖，而ReentrantLock的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)是非公平鎖，但是也可以設(shè)置為公平鎖。

CAS操作(CompareAndSwap)。CAS操作簡(jiǎn)單的說(shuō)就是比較并交換。CAS 操作包含三個(gè)操作數(shù) —— 內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）和新值(B)。如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無(wú)論哪種情況，它都會(huì)在 CAS 指令之前返回該位置的值。CAS 有效地說(shuō)明了“我認(rèn)為位置 V 應(yīng)該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個(gè)位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可。” Java并發(fā)包(java.util.concurrent)中大量使用了CAS操作,涉及到并發(fā)的地方都調(diào)用了sun.misc.Unsafe類(lèi)方法進(jìn)行CAS操作。

3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ReentrantLock提供了兩個(gè)構(gòu)造器，分別是

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

默認(rèn)構(gòu)造器初始化為NonfairSync對(duì)象，即非公平鎖，而帶參數(shù)的構(gòu)造器可以指定使用公平鎖和非公平鎖。由lock()和unlock的源碼可以看到，它們只是分別調(diào)用了sync對(duì)象的lock()和release(1)方法。

Sync是ReentrantLock的內(nèi)部類(lèi)，它的結(jié)構(gòu)如下

可以看到Sync擴(kuò)展了AbstractQueuedSynchronizer。

3.3 NonfairSync

我們從源代碼出發(fā)，分析非公平鎖獲取鎖和釋放鎖的過(guò)程。

3.3.1 lock()

lock()源碼如下

final void lock() {
 if (compareAndSetState(0, 1))
 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
 else
 acquire(1);
}

首先用一個(gè)CAS操作，判斷state是否是0（表示當(dāng)前鎖未被占用），如果是0則把它置為1，并且設(shè)置當(dāng)前線程為該鎖的獨(dú)占線程，表示獲取鎖成功。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)嘗試占用同一個(gè)鎖時(shí)，CAS操作只能保證一個(gè)線程操作成功，剩下的只能乖乖的去排隊(duì)啦。

“非公平”即體現(xiàn)在這里，如果占用鎖的線程剛釋放鎖，state置為0，而排隊(duì)等待鎖的線程還未喚醒時(shí)，新來(lái)的線程就直接搶占了該鎖，那么就“插隊(duì)”了。

若當(dāng)前有三個(gè)線程去競(jìng)爭(zhēng)鎖，假設(shè)線程A的CAS操作成功了，拿到了鎖開(kāi)開(kāi)心心的返回了，那么線程B和C則設(shè)置state失敗，走到了else里面。我們往下看acquire。

acquire(arg)

public final void acquire(int arg) {
 if (!tryAcquire(arg) &&
 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
 selfInterrupt();
}

代碼非常簡(jiǎn)潔，但是背后的邏輯卻非常復(fù)雜，可見(jiàn)Doug Lea大神的編程功力。

1. 第一步。嘗試去獲取鎖。如果嘗試獲取鎖成功，方法直接返回。

tryAcquire(arg)

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
 //獲取當(dāng)前線程
 final Thread current = Thread.currentThread();
 //獲取state變量值
 int c = getState();
 if (c == 0) { //沒(méi)有線程占用鎖
 if (compareAndSetState(0, acquires)) {
 //占用鎖成功,設(shè)置獨(dú)占線程為當(dāng)前線程
 setExclusiveOwnerThread(current);
 return true;
 }
 } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //當(dāng)前線程已經(jīng)占用該鎖
 int nextc = c + acquires;
 if (nextc < 0) // overflow
 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 // 更新state值為新的重入次數(shù)
 setState(nextc);
 return true;
 }
 //獲取鎖失敗
 return false;
}

非公平鎖tryAcquire的流程是：檢查state字段，若為0，表示鎖未被占用，那么嘗試占用，若不為0，檢查當(dāng)前鎖是否被自己占用，若被自己占用，則更新state字段，表示重入鎖的次數(shù)。如果以上兩點(diǎn)都沒(méi)有成功，則獲取鎖失敗，返回false。

2. 第二步，入隊(duì)。由于上文中提到線程A已經(jīng)占用了鎖，所以B和C執(zhí)行tryAcquire失敗，并且入等待隊(duì)列。如果線程A拿著鎖死死不放，那么B和C就會(huì)被掛起。

先看下入隊(duì)的過(guò)程。

先看addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

/**
 * 將新節(jié)點(diǎn)和當(dāng)前線程關(guān)聯(lián)并且入隊(duì)列
 * @param mode 獨(dú)占/共享
 * @return 新節(jié)點(diǎn)
 */
private Node addWaiter(Node mode) {
 //初始化節(jié)點(diǎn),設(shè)置關(guān)聯(lián)線程和模式(獨(dú)占 or 共享)
 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 // 獲取尾節(jié)點(diǎn)引用
 Node pred = tail;
 // 尾節(jié)點(diǎn)不為空,說(shuō)明隊(duì)列已經(jīng)初始化過(guò)
 if (pred != null) {
 node.prev = pred;
 // 設(shè)置新節(jié)點(diǎn)為尾節(jié)點(diǎn)
 if (compareAndSetTail(pred, node)) {
 pred.next = node;
 return node;
 }
 }
 // 尾節(jié)點(diǎn)為空,說(shuō)明隊(duì)列還未初始化,需要初始化head節(jié)點(diǎn)并入隊(duì)新節(jié)點(diǎn)
 enq(node);
 return node;
}

B、C線程同時(shí)嘗試入隊(duì)列，由于隊(duì)列尚未初始化，tail==null，故至少會(huì)有一個(gè)線程會(huì)走到enq(node)。我們假設(shè)同時(shí)走到了enq(node)里。

/**
 * 初始化隊(duì)列并且入隊(duì)新節(jié)點(diǎn)
 */
private Node enq(final Node node) {
 //開(kāi)始自旋
 for (;;) {
 Node t = tail;
 if (t == null) { // Must initialize
 // 如果tail為空,則新建一個(gè)head節(jié)點(diǎn),并且tail指向head
 if (compareAndSetHead(new Node()))
 tail = head;
 } else {
 node.prev = t;
 // tail不為空,將新節(jié)點(diǎn)入隊(duì)
 if (compareAndSetTail(t, node)) {
 t.next = node;
 return t;
 }
 }
 }
}

這里體現(xiàn)了經(jīng)典的自旋+CAS組合來(lái)實(shí)現(xiàn)非阻塞的原子操作。由于compareAndSetHead的實(shí)現(xiàn)使用了unsafe類(lèi)提供的CAS操作，所以只有一個(gè)線程會(huì)創(chuàng)建head節(jié)點(diǎn)成功。假設(shè)線程B成功，之后B、C開(kāi)始第二輪循環(huán)，此時(shí)tail已經(jīng)不為空，兩個(gè)線程都走到else里面。假設(shè)B線程compareAndSetTail成功，那么B就可以返回了，C由于入隊(duì)失敗還需要第三輪循環(huán)。最終所有線程都可以成功入隊(duì)。

當(dāng)B、C入等待隊(duì)列后，此時(shí)AQS隊(duì)列如下：

3. 第三步，掛起。B和C相繼執(zhí)行acquireQueued(final Node node, int arg)。這個(gè)方法讓已經(jīng)入隊(duì)的線程嘗試獲取鎖，若失敗則會(huì)被掛起。

/**
 * 已經(jīng)入隊(duì)的線程嘗試獲取鎖
 */
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
 boolean failed = true; //標(biāo)記是否成功獲取鎖
 try {
 boolean interrupted = false; //標(biāo)記線程是否被中斷過(guò)
 for (;;) {
 final Node p = node.predecessor(); //獲取前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
 //如果前驅(qū)是head,即該結(jié)點(diǎn)已成老二，那么便有資格去嘗試獲取鎖
 if (p == head && tryAcquire(arg)) {
 setHead(node); // 獲取成功,將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)置為head節(jié)點(diǎn)
 p.next = null; // 原h(huán)ead節(jié)點(diǎn)出隊(duì),在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)被GC回收
 failed = false; //獲取成功
 return interrupted; //返回是否被中斷過(guò)
 }
 // 判斷獲取失敗后是否可以掛起,若可以則掛起
 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
  parkAndCheckInterrupt())
 // 線程若被中斷,設(shè)置interrupted為true
 interrupted = true;
 }
 } finally {
 if (failed)
 cancelAcquire(node);
 }
}

code里的注釋已經(jīng)很清晰的說(shuō)明了acquireQueued的執(zhí)行流程。假設(shè)B和C在競(jìng)爭(zhēng)鎖的過(guò)程中A一直持有鎖，那么它們的tryAcquire操作都會(huì)失敗，因此會(huì)走到第2個(gè)if語(yǔ)句中。我們?cè)倏聪聅houldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt都做了哪些事吧。

/**
 * 判斷當(dāng)前線程獲取鎖失敗之后是否需要掛起.
 */
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
 //前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)
 int ws = pred.waitStatus;
 if (ws == Node.SIGNAL)
 // 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為signal,返回true
 return true;
 // 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為CANCELLED
 if (ws > 0) {
 // 從隊(duì)尾向前尋找第一個(gè)狀態(tài)不為CANCELLED的節(jié)點(diǎn)
 do {
 node.prev = pred = pred.prev;
 } while (pred.waitStatus > 0);
 pred.next = node;
 } else {
 // 將前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL
 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
 }
 return false;
} 
/**
 * 掛起當(dāng)前線程,返回線程中斷狀態(tài)并重置
 */
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
 LockSupport.park(this);
 return Thread.interrupted();
}

線程入隊(duì)后能夠掛起的前提是，它的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為SIGNAL，它的含義是“Hi，前面的兄弟，如果你獲取鎖并且出隊(duì)后，記得把我喚醒！”。所以shouldParkAfterFailedAcquire會(huì)先判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)是否狀態(tài)符合要求，若符合則返回true，然后調(diào)用parkAndCheckInterrupt，將自己掛起。如果不符合，再看前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是否>0(CANCELLED)，若是那么向前遍歷直到找到第一個(gè)符合要求的前驅(qū)，若不是則將前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL。

整個(gè)流程中，如果前驅(qū)結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)不是SIGNAL，那么自己就不能安心掛起，需要去找個(gè)安心的掛起點(diǎn)，同時(shí)可以再?lài)L試下看有沒(méi)有機(jī)會(huì)去嘗試競(jìng)爭(zhēng)鎖。

最終隊(duì)列可能會(huì)如下圖所示

線程B和C都已經(jīng)入隊(duì)，并且都被掛起。當(dāng)線程A釋放鎖的時(shí)候，就會(huì)去喚醒線程B去獲取鎖啦。

3.3.2 unlock()

unlock相對(duì)于lock就簡(jiǎn)單很多。源碼如下

public void unlock() {
 sync.release(1);
} 
public final boolean release(int arg) {
 if (tryRelease(arg)) {
 Node h = head;
 if (h != null && h.waitStatus != 0)
 unparkSuccessor(h);
 return true;
 }
 return false;
}

如果理解了加鎖的過(guò)程，那么解鎖看起來(lái)就容易多了。流程大致為先嘗試釋放鎖，若釋放成功，那么查看頭結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是否為SIGNAL，如果是則喚醒頭結(jié)點(diǎn)的下個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的線程，如果釋放失敗那么返回false表示解鎖失敗。這里我們也發(fā)現(xiàn)了，每次都只喚起頭結(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的線程。

最后我們?cè)倏聪聇ryRelease的執(zhí)行過(guò)程

/**
 * 釋放當(dāng)前線程占用的鎖
 * @param releases
 * @return 是否釋放成功
 */
protected final boolean tryRelease(int releases) {
 // 計(jì)算釋放后state值
 int c = getState() - releases;
 // 如果不是當(dāng)前線程占用鎖,那么拋出異常
 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
 throw new IllegalMonitorStateException();
 boolean free = false;
 if (c == 0) {
 // 鎖被重入次數(shù)為0,表示釋放成功
 free = true;
 // 清空獨(dú)占線程
 setExclusiveOwnerThread(null);
 }
 // 更新state值
 setState(c);
 return free;
}

這里入?yún)?。tryRelease的過(guò)程為：當(dāng)前釋放鎖的線程若不持有鎖，則拋出異常。若持有鎖，計(jì)算釋放后的state值是否為0，若為0表示鎖已經(jīng)被成功釋放，并且則清空獨(dú)占線程，最后更新state值，返回free。

3.3.3 小結(jié)

用一張流程圖總結(jié)一下非公平鎖的獲取鎖的過(guò)程。   

3.4 FairSync

公平鎖和非公平鎖不同之處在于，公平鎖在獲取鎖的時(shí)候，不會(huì)先去檢查state狀態(tài)，而是直接執(zhí)行aqcuire(1)，這里不再贅述。   

4 超時(shí)機(jī)制

在ReetrantLock的tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 提供了超時(shí)獲取鎖的功能。它的語(yǔ)義是在指定的時(shí)間內(nèi)如果獲取到鎖就返回true，獲取不到則返回false。這種機(jī)制避免了線程無(wú)限期的等待鎖釋放。那么超時(shí)的功能是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？我們還是用非公平鎖為例來(lái)一探究竟。

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
 throws InterruptedException {
 return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

還是調(diào)用了內(nèi)部類(lèi)里面的方法。我們繼續(xù)向前探究

 public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
 throws InterruptedException {
 if (Thread.interrupted())
 throw new InterruptedException();
 return tryAcquire(arg) ||
 doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}

這里的語(yǔ)義是：如果線程被中斷了，那么直接拋出InterruptedException。如果未中斷，先嘗試獲取鎖，獲取成功就直接返回，獲取失敗則進(jìn)入doAcquireNanos。tryAcquire我們已經(jīng)看過(guò)，這里重點(diǎn)看一下doAcquireNanos做了什么。

/**
 * 在有限的時(shí)間內(nèi)去競(jìng)爭(zhēng)鎖
 * @return 是否獲取成功
 */
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
 throws InterruptedException {
 // 起始時(shí)間
 long lastTime = System.nanoTime();
 // 線程入隊(duì)
 final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
 boolean failed = true;
 try {
 // 又是自旋!
 for (;;) {
 // 獲取前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
 final Node p = node.predecessor();
 // 如果前驅(qū)是頭節(jié)點(diǎn)并且占用鎖成功,則將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)變成頭結(jié)點(diǎn)
 if (p == head && tryAcquire(arg)) {
 setHead(node);
 p.next = null; // help GC
 failed = false;
 return true;
 }
 // 如果已經(jīng)超時(shí),返回false
 if (nanosTimeout <= 0)
 return false;
 // 超時(shí)時(shí)間未到,且需要掛起
 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
  nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
 // 阻塞當(dāng)前線程直到超時(shí)時(shí)間到期
 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
 long now = System.nanoTime();
 // 更新nanosTimeout
 nanosTimeout -= now - lastTime;
 lastTime = now;
 if (Thread.interrupted())
 //相應(yīng)中斷
 throw new InterruptedException();
 }
 } finally {
 if (failed)
 cancelAcquire(node);
 }
}

doAcquireNanos的流程簡(jiǎn)述為：線程先入等待隊(duì)列，然后開(kāi)始自旋，嘗試獲取鎖，獲取成功就返回，失敗則在隊(duì)列里找一個(gè)安全點(diǎn)把自己掛起直到超時(shí)時(shí)間過(guò)期。這里為什么還需要循環(huán)呢？因?yàn)楫?dāng)前線程節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)狀態(tài)可能不是SIGNAL，那么在當(dāng)前這一輪循環(huán)中線程不會(huì)被掛起，然后更新超時(shí)時(shí)間，開(kāi)始新一輪的嘗試

5 總結(jié)

ReentrantLock的核心功能講解差不多落下帷幕，理解AQS，就很容易理解ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)原理。文中慘雜著筆者的個(gè)人理解，如有不正之處，還望指正。

看完上述內(nèi)容，你們掌握深入淺析ReentrantL中實(shí)現(xiàn)ock的原理的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！