标签：加锁 16 ReentrantLock final 解读 boolean 线程 public

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经历了AQS的前世和今生后，我们已经知道AQS是Java中提供同步状态原子管理，线程阻塞/唤醒，以及线程排队功能的同步器基础框架。那么我们今天就来学习通过AQS实现的ReentrantLock。按照惯例，先来看3道关于ReentrantLock的常见面试题：

什么是ReentrantLock?
ReentrantLock内部原理是怎样的？如何实现可重入性？
ReentrantLock和synchronized有什么区别？该如何选择？

接下来，我会尽可能的通过剖析源码的方式为大家解答以上的题目。

ReentrantLock是什么？

ReentrantLock译为可重入锁，在《一文看懂并发编程中的锁》中我们解释过锁的可重入特性：同一线程可以多次加锁，即可以重复进入被锁定的逻辑中。

Doug Lea是这样描述ReentrantLock的：

A reentrant mutual exclusion {@link Lock} with the same basic behavior and semantics as the implicit monitor lock accessed using {@code synchronized} methods and statements, but with extended capabilities.

“A reentrant mutual exclusion Lock”说明ReentrantLock除了具有可重入的特性，还是一把互斥锁。接着看后面的内容，ReentrantLock与使用synchronized方法/语句有相同的基本行为和语义。最后的" but with extended capabilities"则表明了ReentrantLock具有更好的拓展能力。

那么可重入互斥锁就是ReentrantLock的全部吗？别急，我们接着往后看：

The constructor for this class accepts an optional fairness parameter. When set true, under contention, locks favor granting access to the longest-waiting thread. Otherwise this lock does not guarantee any particular access order.

ReentrantLock提供了公平/非公平两种模式，默认非公平模式，可以通过构造器参数指定公平模式。

好了，目前为止我们已经对ReentrantLock有了比较清晰的认知了，按照《一文看懂并发编程中的锁》中的分类，ReentrantLock本质是互斥锁，具有可重入特性，此外ReentrantLock还实现了公平和非公平两种模式。

ReentrantLock怎么用？

ReentrantLocak的使用非常简单：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
// 业务逻辑
lock.unlock();

通过无参构造器创建ReentrantLock对象后，调用lock和unlock进行加锁和解锁的操作。除了无参构造器外，ReentrantLock还提供了一个有参构造器：

// 无参构造器
public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}

// 有参构造器
public ReentrantLock(boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

FairSync和NonfairSync是ReentrantLock的内部类，可以通过构造器来指定ReentrantLock的公平模式或非公平模式。具体实现我们先按下不表，先来看ReentrantLock中提供的其它方法。

加锁方法

除了常用的lock外，ReentrantLock还提供了3个加锁方法：

// 尝试获取锁
public boolean tryLock();

// 尝试获取锁，否则排队等候指定时间
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

// 尝试获取锁
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

tryLock直接尝试获取锁，特点在于竞争失败时直接返回false，不会进入队列等待。重载方法tryLock(long timeout, TimeUnit unit)增加的在队列中的最大等待时间，如果锁竞争失败，会加入到等待队列中，再次尝试获取锁，直到超时或中断。

lockInterruptibly的特点是，调用thread.interrupt中断线程后抛出InterruptedException异常，结束竞争。虽然lock也允许中断线程，但它并不会抛出异常。

其他方法

除了常用的加锁方法外，ReentrantLock还提供了用于分析锁的方法：

方法声明	作用
`public int getHoldCount()`	返回当前线程持有锁的次数，即当前线程重入锁的次数
`public final int getQueueLength()`	返回等待获取锁的线程数量估算值
`public final boolean hasQueuedThread(Thread thread)`	查询当前线程是否在等待获取锁
`public final boolean hasQueuedThreads()`	是否有线程在等待获取锁
`public final boolean isFair()`	是否为公平锁
`public boolean isHeldByCurrentThread()`	当前线程是否持有锁
`public boolean isLocked()`	锁是否被线程持有，即锁是否被使用
`public Condition newCondition()`	创建条件对象
`public int getWaitQueueLength(Condition condition)`	等待在该条件上的线程数量
`public boolean hasWaiters`	是否有线程在等待在该条件上

ReentrantLock源码分析

接下来，我们通过源码来分析ReentrantLock的公平/非公平模式，以及重入性的实现原理，并对比不同的加锁方法的实现差异。

ReentrantLock的结构

我们先来来了解下ReentrantLock的结构：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {

  private final Sync sync;
  
  // 同步器
  abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
  
  // 非公平模式同步器
  static final class NonfairSync extends Sync {}
  
  // 公平模式同步器
  static final class FairSync extends Sync {}
}

ReentrantLock仅仅实现了Lock接口，并没有直接继承AbstractQueuedSynchronizer，其内部类Sync继承AbstractQueuedSynchronizer，并提供了FairSync和NonfairSync两种实现，分别是公平锁和非公平锁。

公平/非公平模式

我们已经知道，可以指定不同的参数来创建公平/非公平模式的ReentrantLock，反应到源码中是使用不同的Sync的实现类：

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

并且在加锁/解锁操作中，均由Sync的实现类完成，ReentrantLock只是对Lock接口的实现：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void lock() {
    sync.acquire(1);
  }
  
  public void unlock() {
    sync.release(1);
  }
}

先来回想下《AQS的今生，构建出JUC的基础》中的acquire方法：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  
  public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
      selfInterrupt();
    }
  }
}

AQS自身仅实现了将线程添加到等待队列中的acquireQueued方法，而预留了获取锁的tryAcquire方法。

那么我们不难想到，ReentrantLock的作用机制：继承自AQS的Sync，实现了tryAcquire方法来获取锁，并借助AQS的acquireQueued实现排队的功能，而ReentrantLock的公平与否，与tryAcquire的实现方式是息息相关的。

公平锁FairSync

FairSync非常简单，仅做了tryAcquire方法的实现：

static final class FairSync extends Sync {
  @ReservedStackAccess
  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取同步状态，AQS实现
    int c = getState();
    // 判断同步状态
    // c == 0时，表示没有线程持有锁
    // c != 0时，表示有线程持有锁
    if (c == 0) {
      // hasQueuedPredecessors判断是否有已经在等待锁的线程
      if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
      }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
      // 线程重入，同步状态+1
      int nextc = c + acquires;
      if (nextc < 0) {
        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
      }
      // 更新同步状态
      setState(nextc);
      return true;
    }
    return false;
  }
}

当c == 0时，锁未被任何线程持有，通过hasQueuedPredecessors判断是否已经有等待锁的线程，如果没有正在等待的线程，则通过compareAndSetState(0, acquires)尝试替换同步状态来获取锁；当c != 0时，锁已经被线程持有，通过current == getExclusiveOwnerThread判断是否为当前线程持有，如果是则认为是重入，执行int nextc = c + acquires，更新同步状态setState(nextc)，并返回成功。

FairSync的公平性体现在获取锁前先执行hasQueuedPredecessors，确认是否已经有线程在等待锁，如果有则tryAcquire执行失败，默默的执行AQS的acquireQueued加入等待队列中即可。

非公平锁NonfairSync

NonfairSync也只是做了tryAcquire的实现，而且还只是掉用了父类的nonfairTryAcquire方法：

static final class NonfairSync extends Sync {
  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
  }
}

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  
  @ReservedStackAccess
  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) {
        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
      }
      setState(nextc);
      return true;
    }
    return false;
  }
}

nonfairTryAcquire与FairSync#tryAcquire简直是一模一样，忽略方法声明，唯一的差别就在于，当c == 0时，nonfairTryAcquire并不会调用hasQueuedPredecessors确认是否有线程正在等待获取锁，而是直接通过compareAndSetState(0, acquires)尝试替换同步状态来获取锁。

NonfairSync的不公平体现在获取锁前不会不会确认是否有线程正在等待锁，而是直接获取锁，如果获取失败，依旧会执行AQS的acquireQueued加入等待队列。

可重入性的实现

《AQS的今生，构建出JUC的基础》中，提到过ReentrantLock的重入性依赖于同步状态state作为计数器的特性实现，在公平锁FairSync和非公平锁NonfairSync的实现中我们也看到，线程重入时会执行同步状态+1的操作：

int nextc = c + acquires;
setState(nextc);

既然lock操作中有同步状态+1的操作，那么unlock操作中就一定有同步状态-1的操作：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void unlock() {
    sync.release(1);
  }
  
  abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    @ReservedStackAccess
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
      // 线程退出，同步状态-1
      int c = getState() - releases;
      if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
      }
      boolean free = false;
      if (c == 0) {
        // 同步状态为0，锁未被持有，释放独占锁
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
      }
      setState(c);
      return free;
    }
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
      Node h = head;
      if (h != null && h.waitStatus != 0){
        unparkSuccessor(h);
      }
      return true;
    }
    return false;
  }
}

tryRelease的实现并不复杂，同步状态-1后，如果同步状态为0，表示锁未被持有，修改锁的独占线程，然后更新同步状态。

我们再来看ReentrantLock的可重入性的实现，是不是非常简单了？判断是否是线程重入依赖的是getExclusiveOwnerThread方法，获取当前独占锁的线程，记录重入次数依赖的是同步状态作为计数器的特性。

现在能够理解为什么ReentrantLock中lock要与unlock操作成对出现了吧？最后，提个小问题，为什么lock和unlock操作中，只有当c == 0时的lock操作需要使用CAS？

加锁方法的差异

我们前面已经了解过ReentrantLock提供的4个加锁方法了，分别是：

public void lock()，最常用的加锁方法，允许中断，但不会抛出异常，加锁失败进入等待队列；
public void lockInterruptibly()，允许中断，抛出InterruptedException异常，加锁失败进入队列直到被唤醒或者被中断；
public boolean tryLock()，尝试直接加锁，加锁失败不会进入队列，而是直接返回false；
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)，尝试直接加锁，中断时抛出InterruptedException异常，加锁失败进入队列，直到指定时间内加锁成功，或者超时。

lock与lockInterruptibly

lock方法的调用：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void lock() {
    sync.acquire(1);
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
      selfInterrupt();
    }
  }
}

lockInterruptibly方法的调用：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    sync.acquireInterruptibly(1);
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) {
      throw new InterruptedException();
    }
    
    if (!tryAcquire(arg)) {
      doAcquireInterruptibly(arg);
    }
  }
}

可以看到，差异主要体现在acquireQueued和doAcquireInterruptibly的实现上：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
  boolean interrupted = false;
  try {
    for (;;) {
      final Node p = node.predecessor();
      if (p == head && tryAcquire(arg)) {
        setHead(node);
        p.next = null;
        return interrupted;
      }
      // 当parkAndCheckInterrupt为true时，修改interrupted标记为中断
      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))
        interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
    }
  } catch (Throwable t) {
    cancelAcquire(node);
    if (interrupted)
      selfInterrupt();
    throw t;
  }
}

private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
  try {
    for (;;) {
      final Node p = node.predecessor();
      if (p == head && tryAcquire(arg)) {
        setHead(node);
        p.next = null;
        return;
      }
      // 当parkAndCheckInterrupt为true时，抛出异常
      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
        throw new InterruptedException();
    }
  } catch (Throwable t) {
    cancelAcquire(node);
    throw t;
  }
}

从源码上来看，差异体现在对parkAndCheckInterrupt结果的处理方式上，acquireQueued只标记中断状态，而doAcquireInterruptibly直接抛出异常。

tryLock与它的重载方法

public boolean tryLock()的实现非常简单：

  public boolean tryLock() {
    return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

直接调用Sync#nonfairTryAcquire，在前面非公平锁的内容中我们已经知道nonfairTryAcquire只是进行了一次非公平的加锁尝试，如果没有调用AQS的acquireQueued不会加入到等待队列中。

tryLock的重载方法也并不复杂，按照之前的习惯，应该是有着特殊的acquireQueued实现：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) {
      throw new InterruptedException();
    }
    return tryAcquire(arg) || doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
  }
  
  private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (nanosTimeout <= 0L)
      return false;
    // 计算超时时间
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    try {
      for (;;) {
        final Node p = node.predecessor();
        if (p == head && tryAcquire(arg)) {
          setHead(node);
          p.next = null;
          return true;
        }
        // 判断超时时间
        nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        if (nanosTimeout <= 0L) {
          cancelAcquire(node);
          return false;
        }
        
        // 调用LockSupport.parkNanos暂停指定时间
        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && nanosTimeout > SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD)
          LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
        
        // 线程中断抛出异常
        if (Thread.interrupted())
          throw new InterruptedException();
      }
    } catch (Throwable t) {
      cancelAcquire(node);
      throw t;
    }
  }
}

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)的特性依赖于LockSupport.parkNanos暂停线程指定时间的能力。另外，我们可以注意到在判断是否需要park时，对nanosTimeout与SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD的判断：

当nanosTimeout > SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD时，认为一次park和upark对性能的影响小于自旋nanosTimeout纳秒；
当nanosTimeout < SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD时，认为一次park和upark对性能的影响大于自旋nanosTimeout纳秒。

到这里我们就把4个加锁方法的差异讲完了，大体逻辑是相似的（如，唤醒头节点），只是为了实现某些特性添加了一些细节，大家可以认真阅读源码，很容易就能看出差异。

结语

关于ReentrantLock的内容到这里就结束了，因为已经把AQS的部分单独拆了出来，所以今天并没有太复杂的内容。大家的重点可以放在ReentrantLock是如何借助AQS实现公平/非公平模式，以及可重入的特性上，诸如getHoldCount，isFair这类方法，相信大家已经能够想象到是如何实现的了，可以结合源码验证自己的想法。

最后，希望今天的内容能够帮助你更清晰的理解ReentrantLock，如果文章中出现错误，也希望大家不吝赐教。

好了，今天就到这里了，Bye~~

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16.ReentrantLock全解读