JUC中Lock和ReentrantLock介绍及源码解析

Posted 2020-10-04 张伯雨

Lock框架是jdk1.5新增的，作用和synchronized的作用一样，所以学习的时候可以和synchronized做对比。在这里先和synchronized做一下简单对比，然后分析下Lock接口以及ReentrantLock的源码和说明。具体的其他的Lock实现的分析在后面会慢慢介绍。

Lock框架和synchronized

有关synchronized的作用和用法不在具体说明，应该都很熟悉了。而Lock有着和synchronized一样的语意，但是比synchronized多了一些功能，单单就从Lock接口定义来看，比synchronized多出来的功能有：

• 可中断的获取锁，就是获取锁的线程可以响应中断。
• 可以尝试获取锁，也就是非阻塞获取锁，一个线程可以尝试去获取锁，获取成功就持有锁并返回true，否则返回false。
• 带超时的尝试获取锁，就是在尝试获取锁的时候，会有超时时间，当到达了指定的时间后，还未获取到锁，就返回false。

除了定义之外，Lock框架还和synchronized有不一样的是：

• Lock需要显示的加锁和释放锁，而且一定要在finally中去释放锁。而synchronized则不需要我们去关心锁的释放。
• 锁的公平性，Lock接口并没有定义有关公平性的方法，而是在具体的实现类中使用AQS来实现锁的公平性。

Lock接口源码

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public interface Lock { //获取锁，获取到锁后返回 //注意一定要记得释放锁 void lock(); //可中断的获取锁 //获取锁的时候，如果线程正在等待获取锁，则该线程能响应中断 void lockInterruptibly() throws InterruptedException; //尝试获取锁，当线程获取锁的时候，获取成功与否都会立即返回 //不会一直等着去获取锁 boolean tryLock(); //带有超时时间的尝试获取锁 //在一定的时间内获取到锁会返回true //在这段时间内被中断了，会返回 //在这段时间内，没有获取到锁，会返回false boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //释放锁 void unlock(); //获取一个Condition对象。 Condition newCondition(); }

Lock接口的定义并不复杂，获取锁释放锁以及非阻塞式的获取锁等方法的定义。其实想象一下日常使用的时候，也大概是如此，获取锁，释放锁，获取锁的时候没有得到锁，我就转一圈回来再试试，等到一定时间之后，我就不要了，走了。接口的定义没有太多要说的，接下来看Lock接口的实现。

Lock接口的实现

Lock接口主要的实现是ReentrantLock重入锁，另外还有ConcurrentHashMap中的Segment继承了ReentrantLock，在ReentrantReadWriteLock中的WriteLock和ReadLock也实现了Lock接口。

ReentrantLock

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，等同于synchronized，但是比synchronized更强大灵活，减少死锁发生的概率。我们上面说Lock框架提供了公平锁的机制，就是在ReentrantLock中有提供公平锁机制的实现，默认为非公平锁。

在继续看ReentrantLock的各个方法实现之前，首先需要了解下内部是怎么实现公平锁和非公平锁的，其实想一下也简单，比如我就是一可重入锁ReentrantLock，你想从我这获得到公平的还是不公平的，但是不能我说什么就是什么，我这里有一个天平（AQS），这个是大家公认的可以实现公平和不公平的机器，你找我要，我就给天平说一声，他来操作，然后我再把结果给你。（越描述越复杂！）。几乎ReentrantLock中所有的操作都会交给Sync去实现。

有关AQS这里不做介绍，在AQS专门的文章有介绍，请自行查阅把。接下来就看看我拿着的两把锁，公平和不公平。

Sync

Sync是公平和非公平两种的基类，直接看代码，看不明白的话，可以先看下面公平和非公平的解析，然后再返回来：

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//继承自AQS abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { //由具体的子类实现，即公平和非公平的有不同实现 abstract void lock(); //非公平的尝试获取 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { //当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //当前AQS同步器的状态 int c = getState(); //状态为0，说明没有人获取锁 if (c == 0) { //尝试获取，获取成功设为独占模式 if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //这里解释跟公平的一样，参照下面的 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; } //尝试释放 protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } //是否是独占 protected final boolean isHeldExclusively() { // While we must in general read state before owner, // we don‘t need to do so to check if current thread is owner return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread(); } final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject(); } // Methods relayed from outer class //获取持有者线程 final Thread getOwner() { return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread(); } //获取重入数 final int getHoldCount() { return isHeldExclusively() ? getState() : 0; } //是否锁了 final boolean isLocked() { return getState() != 0; } // private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { s.defaultReadObject(); setState(0); // reset to unlocked state } }

FairSync

公平锁的实现，有关公平的实现，是此类进行处理的。

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//继承自Sync static final class FairSync extends Sync { //获取锁 //公平的lock方法交给了AQS的acquire方法去处理 //acquire方法采用独占模式，并且忽略中断 //而AQS获取锁的实现是先使用tryAcquire方法获取，获取不到就加入到队列中，一直尝试获取，直到成功返回， //tryAcquire的实现又是具体的子类实现的，下面的tryAcquire方法就是公平的tryAcquire实现 // final void lock() { //参数1是AQS的同步状态 //首先了解下AQS中同步状态的定义，state //0表示未被获取到锁，1表示已经被获取到锁了，大于1表示重入数 //我们要获取锁，肯定是想要现在的同步状态为0，然后我们把状态变成1，这样锁就是我们的了 acquire(1); } //公平的tryAcquire方法实现 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { //当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //获取AQS的同步状态 int c = getState(); //状态为0的话，说明没有其他人获取到锁 if (c == 0) { //hasQueuedPredecessors查询是否还有其他线程比当前线程等待获取锁的时间更长 //compareAndSetState使用cas来设置状态，预期为0，我们想要设置的值为1 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { //如果我们是等待获取时间最长的（这就是公平，我等的时间长，就该我第一个被服务） //并且cas设置成功了，表示我们获取到锁了 //设置当前线程为独占访问 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //往下是state不为0的情况，也就是1，或者大于1 //如果当前线程和独占线程是同一个 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //当前状态加上我们要获取的参数1 //现在表示的是重入数 int nextc = c + acquires; //state是一个32位整型，小于0，表示重入数超过了最大数 if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); //设置当前状态 setState(nextc); return true; } return false; } }

可以看到公平的tryAcquire在获取锁的开始只调用一次，获取到就获取到了，或者已经获取到增加重入数，没有获取到就返回false，如果返回false的话，AQS就会将其加入到队列中一直尝试获取。

NonfairSync

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//也是继承自Sync static final class NonfairSync extends Sync { //非公平的获取锁 final void lock() { //先尝试直接获取锁 //如果能获取到锁，就设置为独占模式 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else //直接获取不到的话，就会跟公平锁一样的流程去获取 //tryAcquire在下面 acquire(1); } //这里是非公平的tryAcquire，直接调用Sync中的nofairTryAcquire方法 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } }

公平和非公平的区别

上面看完了代码，有点模糊，感觉代码都差不多，到底公平和非公平差别在哪里。首先看下公平的锁获取，公平锁获取会直接调用acquire方法，acquire方法并不是直接去获取锁，而是调用公平的tryAcquire方法，公平的tryAcquire方法首先获取到当前同步器状态，如果没有人用同步器，也就是状态为0，会先去判断有没有人比我等的时间更长，有的话我就不能获取锁，而是让别人先去；如果我是等待最长的那个，我就去使用CAS更改状态，获取锁。

而非公平的实现是，我上来就直接使用CAS获取锁，不问别人是不是等着很长时间了，我获取到了就是我的了，我获取不到，再调用acquire方法，然后acquire方法中调用非公平的tryAcquire方法，非公平的tryAcquire方法也是很直接，如果当前锁没有人用，也就是state为0，我不管有没有人比我等的时间长，我就去获取，然后设置独占。

公平锁，获取锁首先去尝试，没有的话就排队，轮到我之后，还要去问一下有没有等的时间更长的。非公平锁则是不排队，直接上，没有获取到，我也尝试获取，尝试获取的时候我还是直接上，不管其他人。

了解完公平和非公平锁，再去看其他方法就没那么难了。

ReentrantLock构造函数

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//可以看到，默认是非公平的 public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); }

还可以指定公平性

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

lock方法

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//直接调用公平或者非公平的同步器的lock方法 public void lock() { sync.lock(); }

lock方法有三种情况：

• 如果锁没有被其他线程持有，当前线程立即获得锁并返回，同步器状态设为1。
• 如果当前线程已经持有锁，则状态加1，并立即返回。
• 如果锁被其他线程持有，当前线程挂起直到获取到锁，然后返回，同步器设为1。

lockInterruptibly方法

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//可中断的获取锁 public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { //调用AQS的方法 sync.acquireInterruptibly(1); }

获取锁，可以被Thread.interrupt打断。也有三种情况：

• 如果锁没有被其他线程持有，当前线程立即获得锁并返回，同步器状态设为1。
• 如果当前线程已经持有锁，则状态加1，并立即返回。

• 如果锁被其他线程持有，当前线程会挂起去获取锁，在这个过程会有两种情况：

  • 当前线程获取到了锁，返回，同步器状态设置1。
  • 当前线程被中断了，会抛出InterruptedException异常，并清除中断状态。

tryLock方法

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//尝试获取锁，不会阻塞，成功与否都会直接返回 public boolean tryLock() { //使用的是非公平锁的获取 return sync.nonfairTryAcquire(1); }

使用非公平的锁获取，如果使用了公平的，获取的时候还要判断别人是不是了好久，而非公平的nonfairTryAcquire，能获取就直接获取到，获取不到就返回false，比较直接。

如果不想破坏公平性，可以使用带有超时时间的tryLock方法。

带超时的tryLock方法

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//在超时间内，并且没有被打断，锁没有被其他线程持有，就立即获取到锁并返回 public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout)); }

如果使用的是公平锁，如果有其他等的时间更长的线程，即便现在锁没有人持有，当前线程也不会获取到锁，给等的时间更长的去获取。

unlock方法

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//释放锁 //直接调用AQS来释放锁 public void unlock() { sync.release(1); }

newCondition方法

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//返回一个新的Condition实例 public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); }

返回的Condition实例的方法，其实和Object的wait，notify，notifyAll方法的作用一样。

其他方法

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//重入次数 public int getHoldCount() { return sync.getHoldCount(); } //锁是否被当前线程持有 public boolean isHeldByCurrentThread() { return sync.isHeldExclusively(); } //查询锁是否被任何线程持有 public boolean isLocked() { return sync.isLocked(); } //是否是公平锁 public final boolean isFair() { return sync instanceof FairSync; } //返回当前拥有锁的线程 protected Thread getOwner() { return sync.getOwner(); } //查询是否有线程在排队获取锁 public final boolean hasQueuedThreads() { return sync.hasQueuedThreads(); } //查询给定的线程是否在等待获取锁 public final boolean hasQueuedThread(Thread thread) { return sync.isQueued(thread); } //得到正在等待获取锁的队列的长度 public final int getQueueLength() { return sync.getQueueLength(); } //获取正在等待获取锁的所有线程 protected Collection<Thread> getQueuedThreads() { return sync.getQueuedThreads(); } //查询是否有线程正在等待给定的Condition public boolean hasWaiters(Condition condition) { if (condition == null) throw new NullPointerException(); if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)) throw new IllegalArgumentException("not owner"); return sync.hasWaiters((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition); } //得到正在等待一个Condition的队列的长度 public int getWaitQueueLength(Condition condition) { if (condition == null) throw new NullPointerException(); if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)) throw new IllegalArgumentException("not owner"); return sync.getWaitQueueLength((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition); } //获取所有的等待某个Condition的线程集合 protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) { if (condition == null) throw new NullPointerException(); if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)) throw new IllegalArgumentException("not owner"); return sync.getWaitingThreads((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition); }

ReentrantLock和synchronized的区别

ReentrantLock和synchronized很类似，但是比synchronized多了更多功能，比如可中断锁，锁可以带超时时间，可以尝试非阻塞获取锁等。ReentrantLock还提供了条件Condition，跟Object的wait/notify类似，但是在多个条件变量和高度竞争锁的地方，ReentrantLock更加合适。

另外AQS是重点，一定要多学几遍，学会了，才能掌握锁（我还不太明白！）。

有关其他实现，比如ReentrantReadWriteLock的ReadLock和WriteLock以及ConcurrentHashMap中的Segment会另行介绍。