引導(dǎo)語(yǔ)

本章的描述思路是先描述清楚 ReentrantLock 的構(gòu)成組件，然后使用加鎖和釋放鎖的方法把這些組件串起來(lái)。

1、類(lèi)注釋

ReentrantLock 中文我們習(xí)慣叫做可重入互斥鎖，可重入的意思是同一個(gè)線程可以對(duì)同一個(gè)共享資源重復(fù)的加鎖或釋放鎖，互斥就是 AQS 中的排它鎖的意思，只允許一個(gè)線程獲得鎖。

我們來(lái)一起來(lái)看下類(lèi)注釋上都有哪些重要信息：

• 可重入互斥鎖，和 synchronized 鎖具有同樣的功能語(yǔ)義，但更有擴(kuò)展性；
• 構(gòu)造器接受 fairness 的參數(shù)，fairness 是 ture 時(shí)，保證獲得鎖時(shí)的順序，false 不保證；
• 公平鎖的吞吐量較低，獲得鎖的公平性不能代表線程調(diào)度的公平性；
• tryLock() 無(wú)參方法沒(méi)有遵循公平性，是非公平的（lock 和 unlock 都有公平和非公平，而 tryLock 只有公平鎖，所以單獨(dú)拿出來(lái)說(shuō)一說(shuō)）。

我們補(bǔ)充一下第二點(diǎn)，ReentrantLock 的公平和非公平，是針對(duì)獲得鎖來(lái)說(shuō)的，如果是公平的，可以保證同步隊(duì)列中的線程從頭到尾的順序依次獲得鎖，非公平的就無(wú)法保證，在釋放鎖的過(guò)程中，我們是沒(méi)有公平和非公平的說(shuō)法的。

2、類(lèi)結(jié)構(gòu)

ReentrantLock 類(lèi)本身是不繼承 AQS 的，實(shí)現(xiàn)了 Lock 接口，如下：

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

Lock 接口定義了各種加鎖，釋放鎖的方法，接口有如下幾個(gè)：

// 獲得鎖方法，獲取不到鎖的線程會(huì)到同步隊(duì)列中阻塞排隊(duì)
void lock();
// 獲取可中斷的鎖
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 嘗試獲得鎖，如果鎖空閑，立馬返回 true，否則返回 false
boolean tryLock();
// 帶有超時(shí)等待時(shí)間的鎖，如果超時(shí)時(shí)間到了，仍然沒(méi)有獲得鎖，返回 false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 釋放鎖
void unlock();
// 得到新的 Condition
Condition newCondition();

ReentrantLock 就負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)這些接口，我們使用時(shí)，直接面對(duì)的也是這些方法，這些方法的底層實(shí)現(xiàn)都是交給 Sync 內(nèi)部類(lèi)去實(shí)現(xiàn)的，Sync 類(lèi)的定義如下：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}

Sync 繼承了 AbstractQueuedSynchronizer ，所以 Sync 就具有了鎖的框架，根據(jù) AQS 的框架，Sync 只需要實(shí)現(xiàn) AQS 預(yù)留的幾個(gè)方法即可，但 Sync 也只是實(shí)現(xiàn)了部分方法，還有一些交給子類(lèi) NonfairSync 和 FairSync 去實(shí)現(xiàn)了，NonfairSync 是非公平鎖，F(xiàn)airSync 是公平鎖，定義如下：

// 同步器 Sync 的兩個(gè)子類(lèi)鎖
static final class FairSync extends Sync {}
static final class NonfairSync extends Sync {}

幾個(gè)類(lèi)整體的結(jié)構(gòu)如下：

圖中 Sync、NonfairSync、FairSync 都是靜態(tài)內(nèi)部類(lèi)的方式實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)也符合 AQS 框架定義的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3、構(gòu)造器 

ReentrantLock 構(gòu)造器有兩種，代碼如下：

// 無(wú)參數(shù)構(gòu)造器，相當(dāng)于 ReentrantLock(false)，默認(rèn)是非公平的
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

無(wú)參構(gòu)造器默認(rèn)構(gòu)造是非公平的鎖，有參構(gòu)造器可以選擇。

從構(gòu)造器中可以看出，公平鎖是依靠 FairSync 實(shí)現(xiàn)的，非公平鎖是依靠 NonfairSync 實(shí)現(xiàn)的。

4、Sync 同步器

Sync 表示同步器，繼承了 AQS，UML 圖如下：

從 UML 圖中可以看出，lock 方法是個(gè)抽象方法，留給 FairSync 和 NonfairSync 兩個(gè)子類(lèi)去實(shí)現(xiàn)，我們一起來(lái)看下剩余重要的幾個(gè)方法。

4.1、nonfairTryAcquire 

// 嘗試獲得非公平鎖
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    // 同步器的狀態(tài)是 0，表示同步器的鎖沒(méi)有人持有
    if (c == 0) {
        // 當(dāng)前線程持有鎖
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 標(biāo)記當(dāng)前持有鎖的線程是誰(shuí)
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 如果當(dāng)前線程已經(jīng)持有鎖了，同一個(gè)線程可以對(duì)同一個(gè)資源重復(fù)加鎖，代碼實(shí)現(xiàn)的是可重入鎖
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 當(dāng)前線程持有鎖的數(shù)量 + acquires
        int nextc = c + acquires;
        // int 是有最大值的，<0 表示持有鎖的數(shù)量超過(guò)了 int 的最大值
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    //否則線程進(jìn)入同步隊(duì)列
    return false;
}

以上代碼有三點(diǎn)需要注意：

通過(guò)判斷 AQS 的 state 的狀態(tài)來(lái)決定是否可以獲得鎖，0 表示鎖是空閑的；else if 的代碼體現(xiàn)了可重入加鎖，同一個(gè)線程對(duì)共享資源重入加鎖，底層實(shí)現(xiàn)就是把 state + 1，并且可重入的次數(shù)是有限制的，為 Integer 的最大值；這個(gè)方法是非公平的，所以只有非公平鎖才會(huì)用到，公平鎖是另外的實(shí)現(xiàn)。

無(wú)參的 tryLock 方法調(diào)用的就是此方法，tryLock 的方法源碼如下：

public boolean tryLock() {
    // 入?yún)?shù)是 1 表示嘗試獲得一次鎖
    return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

4.2、tryRelease

// 釋放鎖方法，非公平和公平鎖都使用
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 當(dāng)前同步器的狀態(tài)減去釋放的個(gè)數(shù)，releases 一般為 1
    int c = getState() - releases;
    // 當(dāng)前線程根本都不持有鎖，報(bào)錯(cuò)
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 如果 c 為 0，表示當(dāng)前線程持有的鎖都釋放了
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 如果 c 不為 0，那么就是可重入鎖，并且鎖沒(méi)有釋放完，用 state 減去 releases 即可，無(wú)需做其他操作
    setState(c);
    return free;
}

tryRelease 方法是公平鎖和非公平鎖都公用的，在鎖釋放的時(shí)候，是沒(méi)有公平和非公平的說(shuō)法的。

從代碼中可以看到，鎖最終被釋放的標(biāo)椎是 state 的狀態(tài)為 0，在重入加鎖的情況下，需要重入解鎖相應(yīng)的次數(shù)后，才能最終把鎖釋放，比如線程 A 對(duì)共享資源 B 重入加鎖 5 次，那么釋放鎖的話(huà)，也需要釋放 5 次之后，才算真正的釋放該共享資源了。

5、FairSync 公平鎖

FairSync 公平鎖只實(shí)現(xiàn)了 lock 和 tryAcquire 兩個(gè)方法，lock 方法非常簡(jiǎn)單，如下：

// acquire 是 AQS 的方法，表示先嘗試獲得鎖，失敗之后進(jìn)入同步隊(duì)列阻塞等待
final void lock() {
    acquire(1);
}

tryAcquire 方法是 AQS 在 acquire 方法中留給子類(lèi)實(shí)現(xiàn)的抽象方法，F(xiàn)airSync 中實(shí)現(xiàn)的源碼如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // hasQueuedPredecessors 是實(shí)現(xiàn)公平的關(guān)鍵
        // 會(huì)判斷當(dāng)前線程是不是屬于同步隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)(頭節(jié)點(diǎn)是釋放鎖的節(jié)點(diǎn))
        // 如果是(返回false)，符合先進(jìn)先出的原則，可以獲得鎖
        // 如果不是(返回true)，則繼續(xù)等待
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 可重入鎖
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

代碼和 Sync 的 nonfairTryAcquire 方法實(shí)現(xiàn)類(lèi)似，唯一不同的是在獲得鎖時(shí)使用 hasQueuedPredecessors 方法體現(xiàn)了其公平性。

6、NonfairSync 非公平鎖

NonfairSync 底層實(shí)現(xiàn)了 lock 和 tryAcquire 兩個(gè)方法，如下:

// 加鎖
final void lock() {
    // cas 給 state 賦值
    if (compareAndSetState(0, 1))
        // cas 賦值成功，代表拿到當(dāng)前鎖，記錄拿到鎖的線程
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        // acquire 是抽象類(lèi)AQS的方法,
        // 會(huì)再次嘗試獲得鎖，失敗會(huì)進(jìn)入到同步隊(duì)列中
        acquire(1);
}
// 直接使用的是 Sync.nonfairTryAcquire 方法 
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

7、如何串起來(lái)

以上內(nèi)容主要說(shuō)了 ReentrantLock 的基本結(jié)構(gòu)，比較零散，那么這些零散的結(jié)構(gòu)如何串聯(lián)起來(lái)呢？我們是通過(guò) lock、tryLock、unlock 這三個(gè) API 將以上幾個(gè)類(lèi)串聯(lián)起來(lái)，我們來(lái)一一看下。

7.1 lock 加鎖

lock 的代碼實(shí)現(xiàn)：

public void lock() {
    sync.lock();
}

其底層的調(diào)用關(guān)系(只是簡(jiǎn)單表明調(diào)用關(guān)系，并不是完整分支圖)如下：

7.2 tryLock 嘗試加鎖 

 tryLock 有兩個(gè)方法，一種是無(wú)參的，一種提供了超時(shí)時(shí)間的入?yún)?，兩種內(nèi)部是不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，代碼分別如下:

// 無(wú)參構(gòu)造器
public boolean tryLock() {
    return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
// timeout 為超時(shí)的時(shí)間，在時(shí)間內(nèi)，仍沒(méi)有得到鎖，會(huì)返回 false
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

接著我們一起看下兩個(gè) tryLock 的調(diào)用關(guān)系圖，下圖顯示的是無(wú)參 tryLock 的調(diào)用關(guān)系圖，如下：

我們需要注意的是 tryLock 無(wú)參方法底層走的就是非公平鎖實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有公平鎖的實(shí)現(xiàn)。

下圖展示的是帶有超時(shí)時(shí)間的有參 tryLock 的調(diào)用實(shí)現(xiàn)圖：

7.3 unlock 釋放鎖 

unlock 釋放鎖的方法，底層調(diào)用的是 Sync 同步器的 release 方法，release 是 AQS 的方法，分成兩步：

嘗試釋放鎖，如果釋放失敗，直接返回 false；釋放成功，從同步隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始喚醒，讓其去競(jìng)爭(zhēng)鎖。

第一步就是我們上文中 Sync 的 tryRelease 方法（4.1），第二步 AQS 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

unLock 的源碼如下：

// 釋放鎖
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

7.4 Condition

ReentrantLock 對(duì) Condition 并沒(méi)有改造，直接使用 AQS 的 ConditionObject 即可。

8、總結(jié)

這就是我們?cè)谘芯客?AQS 源碼之后，碰到的第一個(gè)鎖，是不是感覺(jué)很簡(jiǎn)單，AQS 搭建了整個(gè)鎖架構(gòu)，子類(lèi)鎖只需要根據(jù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn) AQS 對(duì)應(yīng)的方法即可，不僅僅是 ReentrantLock 是這樣，JUC 中的其它鎖也都是這樣，只要對(duì) AQS 了如指掌，鎖其實(shí)非常簡(jiǎn)單。

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