Java多线程——ReentrantLock源码阅读

Posted 2021-04-21 Zack说码

上一章《》讲了AQS框架，这次讲讲它的应用类（注意不是子类实现，待会细讲）。
ReentrantLock，顾名思义重入锁，但什么是重入，这个锁到底是怎样的，我们来看看类的注解说明
ReentrantLock与隐式锁synchronized功能相同，但ReentrantLock更具有扩展性。
《锁优化》里提到Java在1.6对隐式锁synchronized做了锁的优化，使其性能与显式锁性能相差无异。所以在两者的选择上，更多的是考虑用法，以及功能上的扩展。
ReentrantLock是线程独占的，不能与其他线程共享。所谓的重入，就是当本线程想再次获得锁，不需要重新申请，它本身就已经锁了，即重入该锁。
为什么会允许锁重入呢？因为该线程已经拥有锁了，不会受其他线程干扰，那么里面的共享变量就不会因为多线程执行造成线程不安全。相当于代码已经在串行执行了，没必要再申请多余的锁了，而是重入当前的锁。
ReentrantLock会提供一个公平锁的模式，如果选择这个模式，会尽量使得获取锁是公平的，先来先得，但不一定严格按顺序。
如果选择了公平锁，性能上会比不使用（默认）低一些。没有一定保证顺序，同时也降性能，所以如果没有特别的要求，尽量使用默认的非公平锁。
现在基于以上的认识，来看看ReentrantLock的基本实现吧。

ReentrantLock概览

ReentrantLock是实现Lock接口的。所以主要的方法就是Lock接口定义的方法，包括lock()、tryLock()、unlock()、newCondition()等。
lock()与tryLock()的区别就是前者会一直等到直到获取锁，后者则是尝试在当时获取锁，不会重复去申请获取。
这个newCondition()感觉比较突兀，看起来完全不了解有什么用，和Lock有什么关系，我们后面再详细了解。
ReentrantLock里面有一个最核心的成员变量，sync。sync的类型就是内部类Sync。它是AQS的子类，也就是说它就是实现ReentrantLock同步的工具。而FairSync和unFairSync则是Sync的子类，封装了是否公平的功能，用于赋值给sync成员变量。

Sync同步器

Sync是继承上文所介绍的AQS，是ReentrantLock里面的NonfairSync和FairSync的父类。
看注解可以知道，Sync用了AQS的state（状态原子值）来标识锁被持有的数量。

在AQS中，tryRelease()是没有定义的，所以在Sync中重写了。
先判断下申请解锁的线程是否独占锁的线程，否则抛出异常退出。
然计算新的state值，用当前state减去releases值。对于state值和releases值到底是多少，这里可以先留个悬念，但大家可以思考下上面注解的定义也可以大概猜出来。
最后判断新state值是否为0，为0则没有线程占用，所以设当前独占线程为空，并且更新state。这里更新state值并不需要用CAS原子操作，因为只有一个线程会占用这个锁，不是这个线程都异常退出了。
AQS中核心的tryAcquire()方法并没有在这里实现，因为子类NonfaiSync和FairSync的实现并不一样。但这里同样需要用到nonfairTryAcquire，所以抽象出来了。但为什么同样需要，暂时不得而知，带着问题后面再看看。
先判断当前锁的state是否为0，为0则表示没人获取，然后通过CAS更新为acquires值（依然不知道值是多少），同时更新当前线程为锁的独占线程。
如果state不为0，则表示有线程已经占有了。但可能占有的线程是当前线程，那么当前的state会加上acquires值。
这里很容易就看出来state就是代表重入的次数！所以上面的谜题就解开了，releases,aquires都是代表每次申请的值，在ReentrantLock肯定都是1，他们的计算总值就是原子值state。
如果state不为0，也不是被当前线程占用，那么返回false获取失败。

NonfairSync

没啥特别的，直接调用Sync的方法。也没做修改。

FairSync

公平锁的同步器。只有当递归调用或者没有其他等待者，再或者他自己本身排第一才能获取锁。
这话比较绕口，大概意思应该是不停地轮询申请锁，直到自己排到队列的第一才能获取。
乍看一看，这个方法基本和父类Sync的nonfairTryAcquire()一样，唯一不同点就是在没有线程占用的时候（state=0），多了个!hasQueuedPredecessors()前置判断。
这个方法用来判断是否队列为空，或者当前线程是否在队列的最前面。
所以公平锁模式下，想要能获取锁，除非自己排在队列的最前面。
综上看，FairSync根本没有调用到nonfairTryAcquire()，为何说子类都需要用到呢？继续留着悬念，后面解答。

@ReservedStackAccess

可以看到上面介绍的tryAcquire()和tryRelease()都有@ReservedStackAccess。这个注解到底有什么用？
查找了下资料，这个是JEP 270添加的新注解。它会保护被注解的方法，通过添加一些额外的空间，防止在多线程运行的时候出现栈溢出。具体看下图

lock()、tryLock()成员函数

ReentrantLock里面的lock()方法是调用成员变量sync的acquire()。
无论是否公平锁都是直接调用AQS的acquire()方法，不过就是各自有tryAcuqire()的重写，即上文所说的内容。
参数1，是透传给tryAcquire()的，所以这里代表是入锁一次的意思。
而tryLock()调用的是成员变量sync的nonfairTryAcquire()。上文说到Sync内部类抽象了这个方法出来，说到子类都会用到，说的正是tryLock()方法需要用到。
所以显而易见的，无论是否公平锁，调用tryLock()都是用的非公平锁的方法。为什么呢？
因为tryLock()的try只是尝试，无论是否公平，对于方法来说没有必要，只是尝试申请的时候能否获取锁而已。
至于其他成员函数，大都是围绕获取线程和队列的状态，没什么特别的，在这里不再赘述，有兴趣的可以看看源码。

总结

回顾下要点

1. ReentrantLock是一个可重入的锁（被当前占用的线程重入）。

2. 它有两种模式公平与非公平，通过NonfairSync和FairSync赋值sync成员变量实现。

3. 两种模式都是AQS的子类，通过重写tryAcquire()区别不同。公平锁多了是否在队列的头的判断。

4. tryLock()方法没有区分模式，都是一样的。

上文提到的newCondition()还没有涉及到，等后续再起一章节说下这个Condition。