本文主要是介绍多线程-JUC学习-锁-3.ReentrantLock公平锁-获取锁-源码解析，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！
转载出处：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3496147.html
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1、ReentrantLock数据结构
2、lock获取公平锁过程
1. lock()
2. acquire()
2.1. tryAcquire()
2.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
2.3 acquireQueued()
2.4. selfInterrupt()
总结
1、ReentrantLock数据结构
从图中可以看出：
- ReentrantLock实现了Lock接口。
- ReentrantLock与sync是组合关系。ReentrantLock中，包含了Sync对象；而且，Sync是AQS的子类；更重要的是，Sync有两个子类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)。ReentrantLock是一个独占锁，至于它到底是公平锁还是非公平锁，就取决于sync对象是"FairSync的实例"还是"NonFairSync的实例"。
关于AQS, ReentrantLock 和 sync的关系如下：
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {private final Sync sync;abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {...}...
}
2、lock获取公平锁过程
1. lock()
lock()在ReentrantLock.java的FairSync类中实现，它的源码如下：
final void lock() {acquire(1);
}说明：“当前线程”实际上是通过acquire(1)获取锁的。此处1其实是可重入锁的实现了
这里说明一下“1”的含义，它是设置“锁的状态”的参数。对于“独占锁”而言，锁处于可获取状态时，它的状态值是0；锁被线程初次获取到了，它的状态值就变成了1。
由于ReentrantLock(公平锁/非公平锁)是可重入锁，所以“独占锁”可以被单个线程多此获取，每获取1次就将锁的状态+1。也就是说，初次获取锁时，通过acquire(1)将锁的状态值设为1；再次获取锁时，将锁的状态值设为2；依次类推...这就是为什么获取锁时，传入的参数是1的原因了。
可重入就是指锁可以被单个线程多次获取。
2. acquire()
acquire()在AQS中实现的，它的源码如下：
public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}- “当前线程”首先通过tryAcquire()尝试获取锁。获取成功的话，直接返回；尝试失败的话，进入到等待队列排序等待(前面还有可能有需要线程在等待该锁)。主要判断：能否获取锁（锁状态是不是0，当前申请锁的是不是CLH队列的头）
- “当前线程”尝试失败的情况下，先通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)来将“当前线程”加入到"CLH队列(非阻塞的FIFO队列)"末尾。CLH队列就是线程等待队列。
- 再执行完addWaiter(Node.EXCLUSIVE)之后，会调用acquireQueued()来获取锁。由于此时ReentrantLock是公平锁，它会根据公平性原则来获取锁。
- “当前线程”在执行acquireQueued()时，会进入到CLH队列中休眠等待，直到获取锁了才返回！如果“当前线程”在休眠等待过程中被中断过，acquireQueued会返回true，此时"当前线程"会调用selfInterrupt()来自己给自己产生一个中断。至于为什么要自己给自己产生一个中断，后面再介绍。
下面，我们将该函数分为4部分来逐步解析。
- tryAcquire()
- addWaiter()
- acquireQueued()
- selfInterrupt()
2.1. tryAcquire()
1. tryAcquire()
公平锁的tryAcquire()在ReentrantLock.java的FairSync类中实现，源码如下
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {// 获取“当前线程”final Thread current = Thread.currentThread();// 获取“独占锁”的状态int c = getState();// c=0意味着“锁没有被任何线程锁拥有”，if (c == 0) {// 若“锁没有被任何线程锁拥有”，// 则判断“当前线程”是不是CLH队列中的第一个线程线程，// 若是的话，则获取该锁，设置锁的状态，并切设置锁的拥有者为“当前线程”。if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 如果“独占锁”的拥有者已经为“当前线程”，// 则将更新锁的状态。int nextc = c + acquires;if (nextc < 0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;
}说明：根据代码，我们可以分析出，tryAcquire()的作用就是尝试去获取锁。注意，这里只是尝试！
尝试成功的话，返回true；尝试失败的话，返回false，后续再通过其它办法来获取该锁。后面我们会说明，在尝试失败的情况下，是如何一步步获取锁的。
2. hasQueuedPredecessors()
hasQueuedPredecessors()在AQS中实现，源码如下：
public final boolean hasQueuedPredecessors() {Node t = tail; Node h = head;Node s;return h != t &&((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}说明： 通过代码，能分析出，hasQueuedPredecessors() 是通过判断"当前线程"是不是在CLH队列的队首，来返回AQS中是不是有比“当前线程”等待更久的线程。下面对head、tail和Node进行说明。
3. Node的源码
Node就是CLH队列的节点。Node在AQS中实现，它的数据结构如下：
private transient volatile Node head; // CLH队列的队首
private transient volatile Node tail; // CLH队列的队尾// CLH队列的节点
static final class Node {static final Node SHARED = new Node();static final Node EXCLUSIVE = null;// 线程已被取消，对应的waitStatus的值static final int CANCELLED = 1;// “当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)”，对应的waitStatus的值。// 一般发生情况是：当前线程的后继线程处于阻塞状态，而当前线程被release或cancel掉，因此需要唤醒当前线程的后继线程。static final int SIGNAL = -1;// 线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒，对应的waitStatus的值static final int CONDITION = -2;// (共享锁)其它线程获取到“共享锁”，对应的waitStatus的值static final int PROPAGATE = -3;// waitStatus为“CANCELLED, SIGNAL, CONDITION, PROPAGATE”时分别表示不同状态，// 若waitStatus=0，则意味着当前线程不属于上面的任何一种状态。volatile int waitStatus;// 前一节点volatile Node prev;// 后一节点volatile Node next;// 节点所对应的线程volatile Thread thread;// nextWaiter是“区别当前CLH队列是 ‘独占锁’队列 还是 ‘共享锁’队列 的标记”// 若nextWaiter=SHARED，则CLH队列是“独占锁”队列；// 若nextWaiter=EXCLUSIVE，(即nextWaiter=null)，则CLH队列是“共享锁”队列。Node nextWaiter;// “共享锁”则返回true，“独占锁”则返回false。final boolean isShared() {return nextWaiter == SHARED;}// 返回前一节点final Node predecessor() throws NullPointerException {Node p = prev;if (p == null)throw new NullPointerException();elsereturn p;}Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker}// 构造函数。thread是节点所对应的线程，mode是用来表示thread的锁是“独占锁”还是“共享锁”。Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiterthis.nextWaiter = mode;this.thread = thread;}// 构造函数。thread是节点所对应的线程，waitStatus是线程的等待状态。Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Conditionthis.waitStatus = waitStatus;this.thread = thread;}
}说明：
Node是CLH队列的节点，代表“等待锁的线程队列”。
- 每个Node都会一个线程对应。
- 每个Node会通过prev和next分别指向上一个节点和下一个节点，这分别代表上一个等待线程和下一个等待线程。
- Node通过waitStatus保存线程的等待状态。
- Node通过nextWaiter来区分线程是“独占锁”线程还是“共享锁”线程。如果是“独占锁”线程，则nextWaiter的值为EXCLUSIVE；如果是“共享锁”线程，则nextWaiter的值是SHARED。
4. compareAndSetState()
compareAndSetState()在AQS中实现。它的源码如下：
compareAndSetState()在AQS中实现。它的源码如下：protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}说明： compareAndSwapInt() 是sun.misc.Unsafe类中的一个本地方法。对此，我们需要了解的是 compareAndSetState(expect, update) 是以原子的方式操作当前线程；若当前线程的状态为expect，则设置它的状态为update。
5. setExclusiveOwnerThread()
setExclusiveOwnerThread()在AbstractOwnableSynchronizer.java中实现，它的源码如下：
// exclusiveOwnerThread是当前拥有“独占锁”的线程
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t) {exclusiveOwnerThread = t;
}说明：setExclusiveOwnerThread()的作用就是，设置线程t为当前拥有“独占锁”的线程。
6. getState(), setState()
getState()和setState()都在AQS中实现，源码如下：
// 锁的状态
private volatile int state;
// 设置锁的状态
protected final void setState(int newState) {state = newState;
}
// 获取锁的状态
protected final int getState() {return state;
}说明：state表示锁的状态，对于“独占锁”而已，state=0表示锁是可获取状态(即，锁没有被任何线程锁持有)。由于java中的独占锁是可重入的，state的值可以>1。
小结：tryAcquire()的作用就是让“当前线程”尝试（条件：锁状态正确，当前线程位于CLH队列头部）获取锁。获取成功返回true，失败则加入CLH队列并返回false。
2.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)的作用是，创建“当前线程”的Node节点，且Node中记录“当前线程”对应的锁是“独占锁”类型，并且将该节点添加到CLH队列的末尾。
1.addWaiter()
addWaiter()在AQS中实现，源码如下：
private Node addWaiter(Node mode) {// 新建一个Node节点，节点对应的线程是“当前线程”，“当前线程”的锁的模型是mode。Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);Node pred = tail;// 若CLH队列不为空，则将“当前线程”添加到CLH队列末尾if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}// 若CLH队列为空，则调用enq()新建CLH队列，然后再将“当前线程”添加到CLH队列中。enq(node);return node;
}说明：对于“公平锁”而言，addWaiter(Node.EXCLUSIVE)会首先创建一个Node节点，节点的类型是“独占锁”(Node.EXCLUSIVE)类型。然后，再将该节点添加到CLH队列的末尾。
2. compareAndSetTail()
compareAndSetTail()在AQS中实现，源码如下：
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}说明：compareAndSetTail也属于CAS函数，也是通过“本地方法”实现的。compareAndSetTail(expect, update)会以原子的方式进行操作，它的作用是判断CLH队列的队尾是不是为expect，是的话，就将队尾设为update。
3. enq()
enq()在AQS中实现，源码如下：
private Node enq(final Node node) {for (;;) {Node t = tail;if (t == null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}
}说明： enq()的作用很简单。如果CLH队列为空，则新建一个CLH表头；然后将node添加到CLH末尾。否则，直接将node添加到CLH末尾。
小结：addWaiter()的作用，就是将当前线程添加到CLH队列中。这就意味着将当前线程添加到等待获取“锁”的等待线程队列中了。
2.3 acquireQueued()
前面，我们已经将当前线程添加到CLH队列中了。而acquireQueued()的作用就是逐步的去执行CLH队列的线程，如果当前线程获取到了锁，则返回；否则，当前线程进行休眠，直到唤醒并重新获取锁了才返回。下面，我们看看acquireQueued()的具体流程。
1. acquireQueued()
acquireQueued()在AQS中实现，源码如下：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;try {// interrupted表示在CLH队列的调度中，// “当前线程”在休眠时，有没有被中断过。boolean interrupted = false;for (;;) {// 获取上一个节点。// node是“当前线程”对应的节点，这里就意味着“获取上一个等待锁的线程”。final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return interrupted;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}2. shouldParkAfterFailedAcquire()
shouldParkAfterFailedAcquire()在AQS中实现，源码如下：
// 返回“当前线程是否应该阻塞”
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {// 前继节点的状态int ws = pred.waitStatus;// 如果前继节点是SIGNAL状态，则意味这当前线程需要被unpark唤醒。此时，返回true。if (ws == Node.SIGNAL)return true;// 如果前继节点是“取消”状态，则设置 “当前节点”的 “当前前继节点” 为 “‘原前继节点’的前继节点”。if (ws > 0) {do {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);pred.next = node;} else {// 如果前继节点为“0”或者“共享锁”状态，则设置前继节点为SIGNAL状态。compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;
}说明：
- 关于waitStatus请参考下表(中扩号内为waitStatus的值)，更多关于waitStatus的内容，可以参考前面的Node类的介绍。
CANCELLED[1] -- 当前线程已被取消
SIGNAL[-1] -- “当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)”。一般发生情况是：当前线程的后继线程处于阻塞状态，而当前线程被release或cancel掉，因此需要唤醒当前线程的后继线程。
CONDITION[-2] -- 当前线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒
PROPAGATE[-3] -- (共享锁)其它线程获取到“共享锁”
[0] -- 当前线程不属于上面的任何一种状态。- shouldParkAfterFailedAcquire()通过以下规则，判断“当前线程”是否需要被阻塞。
规则1：如果前继节点状态为SIGNAL，表明当前节点需要被unpark(唤醒)，此时则返回true。
规则2：如果前继节点状态为CANCELLED(ws>0)，说明前继节点已经被取消，则通过先前回溯找到一个有效(非CANCELLED状态)的节点，并返回false。
规则3：如果前继节点状态为非SIGNAL、非CANCELLED，则设置前继的状态为SIGNAL，并返回false。shouldParkAfterFailedAcquire方法有三个作用：1、若pred.waitStatus状态位大于0，说明这个节点已经取消了获取锁的操作，doWhile循环会递归删除掉这些放弃获取锁的节点。2、若状态位不为Node.SIGNAL,且没有取消操作，则会尝试将状态位修改为Node.SIGNAL。3、状态位是Node.SIGNAL，表明线程是否已经准备好被阻塞并等待唤醒。
3. parkAndCheckInterrupt())
parkAndCheckInterrupt()在AQS中实现，源码如下：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {// 通过LockSupport的park()阻塞“当前线程”。LockSupport.park(this);// 返回线程的中断状态。return Thread.interrupted();
}说明：
- 该方法调用LockSupport.park()方法使线程阻塞。注意，ReentrantLock.lock()获取锁阻塞就是在这一步实现。阻塞的线程在其他线程释放锁之后会被LockSupport.unpark()唤醒。
- parkAndCheckInterrupt()的作用是阻塞当前线程，并且返回“线程被唤醒之后”的中断状态。它会先通过LockSupport.park()阻塞“当前线程”，然后通过Thread.interrupted()返回线程的中断状态。
这里介绍一下线程被阻塞之后如何唤醒。一般有2种情况：
第1种情况：unpark()唤醒。“前继节点对应的线程”使用完锁之后，通过unpark()方式唤醒当前线程。
第2种情况：中断唤醒。其它线程通过interrupt()中断当前线程。
补充：LockSupport()中的park(),unpark()的作用 和 Object中的wait(),notify()作用类似，是阻塞/唤醒。
它们的用法不同，park(),unpark()是轻量级的，而wait(),notify()是必须先通过Synchronized获取同步锁。
4. 再次tryAcquire()
了解了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()函数之后。我们接着分析acquireQueued()的for循环部分。
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return interrupted;
}说明：
(01) 通过node.predecessor()获取前继节点。predecessor()就是返回node的前继节点，若对此有疑惑可以查看下面关于Node类的介绍。
(02) p == head && tryAcquire(arg)
首先，判断“前继节点”是不是CHL表头。如果是的话，则通过tryAcquire()尝试获取锁。
其实，这样做的目的是为了“让当前线程获取锁”，但是为什么需要先判断p==head呢？理解这个对理解“公平锁”的机制很重要，因为这么做的原因就是为了保证公平性！
(a) 前面，我们在shouldParkAfterFailedAcquire()我们判断“当前线程”是否需要阻塞；
(b) 接着，“当前线程”阻塞的话，会调用parkAndCheckInterrupt()来阻塞线程。当线程被解除阻塞的时候，我们会返回线程的中断状态。而线程被解决阻塞，可能是由于“线程被中断”，也可能是由于“其它线程调用了该线程的unpark()函数”。
(c) 再回到p==head这里。如果当前线程是因为其它线程调用了unpark()函数而被唤醒，那么唤醒它的线程，应该是它的前继节点所对应的线程(关于这一点，后面在“释放锁”的过程中会看到)。 OK，是前继节点调用unpark()唤醒了当前线程！
此时，再来理解p==head就很简单了：当前继节点是CLH队列的头节点，并且它释放锁之后；就轮到当前节点获取锁了。然后，当前节点通过tryAcquire()获取锁；获取成功的话，通过setHead(node)设置当前节点为头节点，并返回。
总之，如果“前继节点调用unpark()唤醒了当前线程”并且“前继节点是CLH表头”，此时就是满足p==head，也就是符合公平性原则的。否则，如果当前线程是因为“线程被中断”而唤醒，那么显然就不是公平了。这就是为什么说p==head就是保证公平性！
2.4. selfInterrupt()
selfInterrupt()是AQS中实现，源码如下：
private static void selfInterrupt() {Thread.currentThread().interrupt();
}说明：selfInterrupt()的代码很简单，就是“当前线程”自己产生一个中断。但是，为什么需要这么做呢？
这必须结合acquireQueued()进行分析。如果在acquireQueued()中，当前线程被中断过，则执行selfInterrupt()；否则不会执行。
在acquireQueued()中，即使是线程在阻塞状态被中断唤醒而获取到cpu执行权利；但是，如果该线程的前面还有其它等待锁的线程，根据公平性原则，该线程依然无法获取到锁。它会再次阻塞！ 该线程再次阻塞，直到该线程被它的前面等待锁的线程锁唤醒；线程才会获取锁，然后“真正执行起来”！
也就是说，在该线程“成功获取锁并真正执行起来”之前，它的中断会被忽略并且中断标记会被清除！ 因为在parkAndCheckInterrupt()中，我们线程的中断状态时调用了Thread.interrupted()。该函数不同于Thread的isInterrupted()函数，isInterrupted()仅仅返回中断状态，而interrupted()在返回当前中断状态之后，还会清除中断状态。 正因为之前的中断状态被清除了，所以这里需要调用selfInterrupt()重新产生一个中断！
小结：selfInterrupt()的作用就是当前线程自己产生一个中断。
总结
再回过头看看acquire()函数，它最终的目的是获取锁！
public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}- 先是通过tryAcquire()尝试获取锁。获取成功的话，直接返回；尝试失败的话，再通过acquireQueued()获取锁。
- 尝试失败的情况下，会先通过addWaiter()来将“当前线程”加入到"CLH队列"末尾；然后调用acquireQueued()，在CLH队列中排序等待获取锁，在此过程中，线程处于休眠状态。直到获取锁了才返回。 如果在休眠等待过程中被中断过，则调用selfInterrupt()来自己产生一个中断。
这篇关于多线程-JUC学习-锁-3.ReentrantLock公平锁-获取锁-源码解析的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
