ReentrantLock源码解析——虽众但写
- 2020 年 4 月 1 日
- 筆記
在看这篇文章时，笔者默认你已经看过AQS或者已经初步的了解AQS的内部过程。
先简单介绍一下ReentantLock，跟synchronized相同，是可重入的重量级锁。但是其用法则相当不同，首先ReentrantLock要显式的调用lock方法表示接下来的这段代码已经被当前线程锁住，其他线程需要执行时需要拿到这个锁才能执行，而当前线程在执行完之后要显式的释放锁，固定格式
lock.lock(); try { doSomething(); } finally { lock.unlock(); } 1.ReentrantLock的demo程序
来通过下面这段代码简单的了解ReentrantLock是如何使用的
// 定义一个锁 private static Lock lock = new ReentrantLock(); /** * ReentrantLock的使用例子，并且验证其一些特性 * @param args 入参 * @throws Exception 错误 */ public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池 ThreadPoolExecutor executor = ThreadPoolUtil.getInstance(); executor.execute(() -> { System.err.println("线程1尝试获取lock锁..."); lock.lock(); try { System.err.println("线程1拿到锁并进入try，准备执行testForLock方法"); // 调用下方的方法，验证lock的可重入性 testForLock(); TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500); System.err.println("线程1try模块全部执行完毕，准备释放lock锁"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); System.err.println("线程1释放lock锁，线程1释放锁2次，此时才算真正释放，验证了ReentrantLock加锁多少次就要释放多少次锁"); } }); // 先睡他100ms，保证线程1先拿到锁 TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100); executor.execute(() -> { System.err.println("线程2尝试获取lock锁..."); lock.lock(); try { System.err.println("线程2拿到锁并进入try"); } finally { lock.unlock(); System.err.println("线程2执行完毕，释放lock锁"); } }); } /** * 验证ReentrantLock具有可重入 */ public static void testForLock() throws InterruptedException { System.err.println("线程1开始执行testForLock方法，正准备获取lock锁..."); lock.lock(); try { System.err.println("testForLock成功获取lock锁,证明了ReentrantLock具有可重入性"); TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200); } finally { lock.unlock(); System.err.println("testForLock释放lock锁，线程1释放锁一次"); } } 结果图：
从结果图中，我们得到了很多信息，比如ReentrantLock具备可重入性(testForLock方法得出)，并且其释放锁的次数必须跟加锁的次数保持一致（这样才能保证正确性）；此外ReentrantLock为悲观锁，在某个线程获取到锁之后其他线程在其完全释放之前不得获取（线程2充分证明了这一点，其开始获取锁的时间要比线程1的执行时间快许多，但还是被阻塞住了）。
2.获取锁的方法——lock()
okay，那来看下其内部是如何实现的，直接点击lock()方法
public void lock() { sync.lock(); } 看到其直接调用了sync的lock()方法，再点击进入
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // ... abstract void lock(); // ... } 可以看到Sync类是ReentrantLock的一个内部类，继承了AQS框架，也就是说ReentrantLock就是AQS框架下的一个产物，那么问题就变得简单起来了。如果还没了解过AQS的可以看下我另一篇文章——AQS框架详解，看过之后再回头看ReentrantLock，你会发现，就这？
扯回来ReentrantLock，这边可以看到内部类Sync是一个抽象类，lock()方法也是一个抽象方法，也就意味着这个lock会根据子类的不同实现执行不同操作，点开子类发现有两个——公平锁和非公平锁。
里边的具体实现先放一放，回到ReentrantLock的lock方法
public void lock() { sync.lock(); } 直接调用说明sync已经被初始化过，那么在哪里进行初始化的呢？仔细翻一翻可以从ReentrantLock的两个构造方法中发现猫腻
/** * 构造方法1 * 无参构造方法，直接将sync初始化为非公平锁 */ public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); } /** * 构造方法2 * 带参构造方法，根据传进来的布尔值决定将sync初始化为公平还是非公平锁 */ public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); } 这里顺带说一下，在AQS有一个同步队列(CLH)，是一种先进先出队列。公平锁的意思就是严格按照这个队列的顺序来获取锁，非公平锁的意思就是不一定按照这个队列的顺序来。
那现在知道sync是在创建ReentrantLock的时候就进行了初始化，我们就来看下公平和非公平锁各自做了什么吧。
2.1 非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L; final void lock() { // 使用CAS尝试将state改为1，如果成功了，则表示获取锁成功，设置当前线程为持有线程即可 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else // 否则的话调用AQS的acquire方法乖乖入同步队列等待去吧 acquire(1); } // AQS暴露出来需要子类重写的方法 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 方法解释在下方 return nonfairTryAcquire(acquires); } } // 非公平锁的tryAcquire方法,该方法是放在Sync抽象类中的，为了tryLock的时候使用 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); // 当前锁的状态 int c = getState(); // 如果是0则表示锁是开放状态，可以争夺 if (c == 0) { // 使用CAS设置为对应的值，在ReentrantLock中acquires的值一直是1 if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 成功了设置持有线程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } /* * 如果当前线程是持有线程，那么state的值+1 * 这里也是ReentrantLock可重入的原理 */ 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; } 非公平锁基本的流程解释在上方的代码中已经在注释写出，相信不难看懂。不过有个需要注意的点要说一下，首先要看清楚非公平锁的定义，它是不一定按照队列顺序来获取，不是不按照队列顺序获取。
从上面的代码我们也可以看出来，非公平锁调用lock()方法的时候会先调用一次CAS来获取锁，成功了直接返回，这第一次操作没有按照队列的顺序来，但也只有这一次。如果失败了，入队之后还是乖乖的得按照CLH同步队列的顺序来拿锁，这一点要搞清楚。
2.3 公平锁
static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; // lock方法直接调用AQS的acquire方法，连一点争取的欲望都没有 final void lock() { acquire(1); } // 公平锁的获取资源方法,该方法是在acquire方法类调用的 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 整体逻辑还是挺简单的，跟非公平有些类似 final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { /* * c==0表示当前锁没有被获取 * 如果没有前驱节点或者前驱节点是头结点, * 那么使用CAS尝试获取资源 * 成功了设置持有线程并返回true，失败了直接返回 */ if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 如果当前线程持有锁，跟非公平锁一致，可重入 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } } 公平锁的逻辑相对来说十分简单，lock方法老老实实的去排队获取锁，而获取资源方法的逻辑也在代码注释写得很清楚了，没有什么需要多讲的。
3.锁释放
上面的理解之后释放锁的逻辑就简单的多了，直接放代码吧：
/* * 解锁方法直接调用AQS的release方法 * 而release方法的去向又是跟tryRelease的返回值直接相关 * tryRelease方法的实现在内部类Sync中，具体在下方 */ public void unlock() { sync.release(1); } abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L; // ... // 释放资源的方法 protected final boolean tryRelease(int releases) { // 拿到当前锁的加锁次数 int c = getState() - releases; // 当前线程必须是锁持有线程才能操作 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 如果次数为0，表示完全释放，清空持有线程 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } // ... } 释放锁的逻辑在注释中解释得很清楚了，看完也知道由于ReentrantLock是可重入的，所以锁的数值会逐渐增加，那么在释放的时候也要一个一个逐一释放。
主要的逻辑还是AQS的release方法中，这里详讲的话篇幅太多，有兴趣的话可以单独看下AQS的文章，传送门：AQS。
4.ReentrantLock的可选择性
来讲下ReentrantLock跟Synchonized的一大不同点之一——Condition。那么condition是什么呢，简单来说就是将等待获取资源的线程独立出来分队，什么意思呢？举个例子，现在有8个线程同时争取一个锁，我觉得太多了，就把这个8个线程平均分成4队，等我觉得哪队OK就将那一队的线程叫出来争取这个锁。在这里的condition就是队伍，4队就是4个condition。
另外说一句，condition(队伍)中的线程是不参与锁的竞争的，如果上方的8个线程我只将2个线程放入一个队，其他线程不建立队伍，那么其他线程会参与锁的竞争，而独立到队伍中的2个线程则不会，因为其被放在AQS的等待队列中，等待队列是不参与资源的竞争的，我在另一篇文章——AQS框架详解写得很清楚了。还是那句话，AQS懂了再看ReentrantLock，理解难度就会低得多得多得多得多….
okay，那来简单看下Condition如何使用
// 线程池 ThreadPoolExecutor executor = ThreadPoolUtil.getInstance(); // 这里只建了一个condition起理解作用，自己有兴趣的话可以多建几个模拟多点场景 Condition condition = lock.newCondition(); executor.execute(() -> { System.err.println("线程1尝试获取lock锁..."); lock.lock(); try { System.err.println("线程1拿到锁并进入try"); System.err.println("线程1准备进行condition操作"); /* * 将当前线程即线程1放入指定的这个condition中， * 如果是其他condition则调用其他condition的await()方法 */ condition.await(); System.err.println("线程1结束condition操作"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); System.err.println("线程1执行完毕，释放lock锁"); } }); // 保证线程1获取锁并且执行完毕 TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200); executor.execute(() -> { System.err.println("线程2尝试获取lock锁..."); lock.lock(); try { System.err.println("线程2拿到锁并进入try"); // 唤醒condition的所有线程 condition.signalAll(); System.err.println("线程2将condition中的线程唤醒"); } finally { lock.unlock(); System.err.println("线程2执行完毕，释放lock锁"); } }); 结果图：
可以从结果图中看到，
当线程调用了condition.await()的时候就被放入了condition中，并且此时将持有的锁释放，将自己挂起睡觉等待其他线程唤醒。所以线程2才能在线程1没执行完的情况获取到了锁，并且线程2执行完操作之后将线程1唤醒，线程1此时其实是重新进入同步队列（队尾）争取资源的，如果队列前方还有线程在等待的话它是不会拿到的，要按照队列顺序获取，可以自己在本地创多几个线程试一下。
通过这段简单的代码之后明显可以看到condition具有不错的灵活性，也就是说提供了更多了选择性，这也就是跟synchronized不同的地方，如果使用synchronized加锁，那么Object的唤醒方法只能唤醒全部，或者其中的一个，但是ReentrantLock不同，有了condition的帮助，可以不同的线程进行不同的分组，然后有选择的唤醒其中的一组或者其中一组的随机一个。
5.总结
ReentrantLock的源码如果有了AQS的基础，那么看起来是不费吹灰之力（开个玩笑，还是要比吹灰费劲的）。所以本章的篇幅也比较简单，先从一个例子说明了ReentrantLock的用法， 并且通过这个例子介绍了ReentrantLock可重入、悲观锁的几个特性；接着对其lock方法进行源码跟踪，从而了解到其内部的方法都是由继承AQS的内部类Sync来实现的，而Sync又分成了两个类，代表两种不同的锁——公平锁和非公平锁；接下来再讲到两种锁的具体实现和释放的逻辑，到这里加锁解锁的流程就完整了；最后再介绍ReentrantLock的另一种特性——Condition，这种特性允许其选择特定的线程来争夺锁，也可以选择性的唤醒锁，到这里整篇文章就告一段落。
孤独的人不一定是天才，还可能是得了郁抑症。
