Java并发之ReentrantLock详解

本文主要是介绍Java并发之ReentrantLock详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

原文：

http://blog.csdn.net/lipeng_bigdata/article/details/52154637

一、入题

ReentrantLock是Java并发包中互斥锁，它有公平锁和非公平锁两种实现方式，以lock()为例，其使用方式为：

[java] view plain copy

ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
// 获取锁
takeLock.lock();
try {
// 业务逻辑
} finally {
// 释放锁
takeLock.unlock();
}

那么，ReentrantLock内部是如何实现锁的呢？接下来我们就以JDK1.7中的ReentrantLock的lock()为例详细研究下。

二、ReentrantLock类的结构

ReentrantLock类实现了Lock和java.io.Serializable接口，其内部有一个实现锁功能的关键成员变量Sync类型的sync，定义如下：

[java] view plain copy

/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;

而这个Sync是继承了AbstractQueuedSynchronizer的内部抽象类，主要由它负责实现锁的功能。关于AbstractQueuedSynchronizer我们会在以后详细介绍，你只要知道它内部存在一个获取锁的等待队列及其互斥锁状态下的int状态位（0当前没有线程持有该锁、n存在某线程重入锁n次）即可，该状态位也可用于其它诸如共享锁、信号量等功能。
Sync在ReentrantLock中有两种实现类：NonfairSync、FairSync，正好对应了ReentrantLock的非公平锁、公平锁两大类型。

三、获取锁主体流程

ReentrantLock的锁功能主要是通过继承了AbstractQueuedSynchronizer的内部类Sync来实现的，其lock()获取锁的主要流程如下：

首先，ReentrantLock的lock()方法会调用其内部成员变量sync的lock()方法；

其次，sync的非公平锁NonfairSync或公平锁FairSync实现了父类AbstractQueuedSynchronizer的lock()方法，其会调用acquire()方法；

然后，acquire()方法则在sync父类AbstractQueuedSynchronizer中实现，它只有一段代码：

[java] view plain copy

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

通过tryAcquire()方法试图获取锁，获取到直接返回结果，否则通过嵌套调用acquireQueued()、addWaiter()方法将请求获取锁的线程加入等待队列，如果成功的话，将当前请求线程阻塞，and，over！

队列如何实现及如何添加到队列中以后再做详细分析！这里只关注ReentrantLock的实现逻辑。

上述就是公平锁、非公平锁实现获取锁的主要流程，而针对每种锁来说，其实现方式有很大差别，主要就体现在各自实现类的lock()和tryAcquire()方法中。在sync的抽象类Sync及其抽象父类AbstractQueuedSynchronizer中，lock()方法和tryAcquire()方法被定义为抽象方法或者未实现，而是由具体子类去实现：

[java] view plain copy

/**
* Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
* is to allow fast path for nonfair version.
*/
abstract void lock();

[java] view plain copy

/**
* Attempts to acquire in exclusive mode. This method should query
* if the state of the object permits it to be acquired in the
* exclusive mode, and if so to acquire it.
*
* <p>This method is always invoked by the thread performing
* acquire. If this method reports failure, the acquire method
* may queue the thread, if it is not already queued, until it is
* signalled by a release from some other thread. This can be used
* to implement method {@link Lock#tryLock()}.
*
* <p>The default
* implementation throws {@link UnsupportedOperationException}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is always the one
* passed to an acquire method, or is the value saved on entry
* to a condition wait. The value is otherwise uninterpreted
* and can represent anything you like.
* @return {@code true} if successful. Upon success, this object has
* been acquired.
* @throws IllegalMonitorStateException if acquiring would place this
* synchronizer in an illegal state. This exception must be
* thrown in a consistent fashion for synchronization to work
* correctly.
* @throws UnsupportedOperationException if exclusive mode is not supported
*/
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}

下面，我们分别研究下非公平锁和公平锁的实现。

四、非公平锁NonfairSync

1、lock()方法

[java] view plain copy

/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}

通过代码可以看到，非公平锁上来就无视等待队列的存在而抢占锁，通过基于CAS操作的compareAndSetState(0, 1)方法，试图修改当前锁的状态，这个0表示AbstractQueuedSynchronizer内部的一种状态，针对互斥锁则是尚未有线程持有该锁，而>=1则表示存在线程持有该锁，并重入对应次数，这个上来就CAS的操作也是非公共锁的一种体现，CAS操作成功的话，则将当前线程设置为该锁的唯一拥有者。

抢占不成功的话，则调用父类的acquire()方法，按照上面讲的，继而会调用tryAcquire()方法，这个方法也是由最终实现类NonfairSync实现的，如下：

[java] view plain copy

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}

2、tryAcquire()

而这个nonfairTryAcquire()方法实现如下：

[java] view plain copy

/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is
* implemented in subclasses, but both need nonfair
* try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

还是上来先判断锁的状态，通过CAS来抢占，抢占成功，直接返回true，如果锁的持有者线程为当前线程的话，则通过累加状态标识重入次数。抢占不成功，或者锁的本身持有者不是当前线程，则返回false，继而后续通过进入等待队列的方式排队获取锁。可以通过以下简单的图来理解：

五、公平锁FairSync

1、lock()

公平锁的lock()方法就比较简单了，直接调用acquire()方法，如下：

[java] view plain copy

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

2、tryAcquire()

公平锁的tryAcquire()方法也相对较简单，如下：

[java] view plain copy

/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
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;
}

当前线程会在得到当前锁状态为0，即没有线程持有该锁，并且通过!hasQueuedPredecessors()判断当前等待队列没有前继线程（也就是说，没有比我优先级更高的线程在请求锁了）获取锁的情况下，通过CAS抢占锁，并设置自己为锁的当前拥有者，当然，如果是重入的话，和非公平锁处理一样，通过累加状态位标记重入次数。

而一旦等待队列中有等待者，或当前线程抢占锁失败，则它会乖乖的进入等待队列排队等待。公平锁的实现大致如下：