Java并发：重入锁 ReentrantLock

Posted 2021-01-18 那股泥石流

先做总结：

1、为什么要用ReentrantLock？

（1）ReentrantLock与synchronized具有相同的功能和内存语义；

（2）synchronized是重量级锁，性能不好。ReentrantLock性能好；

（3）ReentrantLock可操作性强，如：实现条件Condition，读写锁，可轮询，使用更灵活。

2、ReentrantLock实现原理

（1）ReentrantLock的属性sync是一个Sync（继承了AQS）对象

（2）获取锁的标志：

　　　　sync.state>0(0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁(锁可以重入，每次重入都+1))

　　　　sync.exclusiveOwnerThread == Thread.currentThread()

（3）Sync重写了tryAcquire()方法（获取锁）和tryRelease()方法（释放锁），其实就是对sync.state和sync.exclusiveOwnerThread的操作。

（4）获取不到锁的线程加入sync的同步队列，上一篇说过 Java并发（八）：AbstractQueuedSynchronizer

3、公平锁与非公平锁

ReentrantLock只能时公平锁和非公平锁中的一个

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

不同：

（1）非公平锁在调用 lock 后，首先就会调用 CAS 进行一次抢锁，如果这个时候恰巧锁没有被占用，那么直接就获取到锁。

（2）非公平锁在 CAS 失败后，和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法。在 tryAcquire 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁（即使同步队列中有线程等待），而公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。

公平锁和非公平锁就这两点区别，如果这两次 CAS 都不成功，那么后面非公平锁和公平锁是一样的，都要进入到阻塞队列等待唤醒。

因此，非公平锁会有更好的性能，因为它的吞吐量比较大。当然，非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定，可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。

两个不同的源码：

    /**
     * 不同一：
     * 非公平锁在调用 lock 后，首先就会调用 CAS 进行一次抢锁，如果这个时候恰巧锁没有被占用，那么直接就获取到锁。
     */
    // NonfairSync
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1)) // 不同一：NonfairSync会CAS尝试获取锁
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 如果拿到锁就设置当前线程
        else
            acquire(1);
    }

    // FairSync(FairSync不会先尝试拿锁)
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    /**
     * 不同二：
     * 如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），
     * 非公平锁会直接 CAS 抢锁（即使同步队列中有线程等待），而公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。
     */
    // NonfairSync
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) { // 锁没有被占用，直接获取(不管同步队列中有没有等待线程)
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 重入
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // FairSync
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) { // 即使锁没有被占用，也要排在同步队列中等待的线程之后
            if (!hasQueuedPredecessors() && // CLH队列为空或者队列头结点是当前线程节点 才能获得锁
                    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;
    }

一、ReentrantLock类结构

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync; // 锁 大部分功能都是委托给Sync来实现的
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
    static final class FairSync extends Sync {}
    static final class NonfairSync extends Sync {}
}

二、以NonfairSync为例解析重入锁

获取锁标志：

（NonfairSync extends Sync extends AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer）

1.AbstractQueuedSynchronizer.state>0(0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁(锁可以重入，每次重入都+1))

2.AbstractOwnableSynchronizer.exclusiveOwnerThread == Thread.currentThread()

获取锁：

public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 默认是非公平锁
        lock.lock();
    }
    
    // ReentrantLock
    public void lock() {
        sync.lock();
    }
    
    // NonfairSync
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1)) // 尝试获取锁
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 如果拿到锁就设置当前线程 
        else
            acquire(1);
    }
    
    // AbstractQueuedSynchronizer
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) && // 尝试获取锁
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 没有获取到锁，将线程加入同步队列(参考上一篇AbstractQueuedSynchronizer)
            selfInterrupt();
    }
    
    // NonfairSync
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
    
    /**
     * 获取锁标志:
     * (NonfairSync extends Sync extends AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer)
     * 1.AbstractQueuedSynchronizer.state>0(0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁(锁可以重入，每次重入都+1))
     * 2.AbstractOwnableSynchronizer.exclusiveOwnerThread == Thread.currentThread()
     * Sync(NonfairSync没有重写nonfairTryAcquire)
     */
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) { // 所没有被占用，直接获取
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 重入
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

释放锁：

    // ReentrantLock
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    
    // AbstractQueuedSynchronizer
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h); // 唤醒队列下一个节点线程 参考上一篇：AbstractQueuedSynchronizer
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // Sync
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false; // 重入锁，直到state==0才算释放
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

三、公平锁与非公平锁

    // FairSync(NonfairSync会先尝试拿锁，FairSync不会)
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    // FairSync
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() && // CLH队列为空或者队列头结点是当前线程节点 才能获得锁
                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;
    }
    
    /**
     * AbstractQueuedSynchronizer
     * true - CLH队列为空或者队列头结点是当前线程节点
     */
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

以上代码可以看出，公平锁和非公平锁只有两处不同：

（1）非公平锁在调用 lock 后，首先就会调用 CAS 进行一次抢锁，如果这个时候恰巧锁没有被占用，那么直接就获取到锁。

（2）非公平锁在 CAS 失败后，和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法。在 tryAcquire 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁，而公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。

公平锁和非公平锁就这两点区别，如果这两次 CAS 都不成功，那么后面非公平锁和公平锁是一样的，都要进入到阻塞队列等待唤醒。

因此，非公平锁会有更好的性能，因为它的吞吐量比较大。当然，非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定，可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。

四、ReentrantLock优势

ReentrantLock与synchronized具有相同的功能和内存语义。

1、与synchronized相比，ReentrantLock提供了更多，更加全面的功能，具备更强的扩展性。例如：时间锁等候，可中断锁等候，锁投票。

2、ReentrantLock还提供了条件Condition，对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活，所以在多个条件变量和高度竞争锁的地方，ReentrantLock更加适合。

3、ReentrantLock提供了可轮询的锁请求。它会尝试着去获取锁，如果成功则继续，否则可以等到下次运行时处理，而synchronized则一旦进入锁请求要么成功要么阻塞，所以相比synchronized而言，ReentrantLock会不容易产生死锁些。

4、ReentrantLock支持更加灵活的同步代码块，但是使用synchronized时，只能在同一个synchronized块结构中获取和释放。注：ReentrantLock的锁释放一定要在finally中处理，否则可能会产生严重的后果。

5、ReentrantLock支持中断处理，且性能较synchronized会好些。

 

参考资料 / 相关推荐

【死磕Java并发】—–J.U.C之重入锁：ReentrantLock

一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer

Java并发（八）：AbstractQueuedSynchronizer