ReentrantLock 源码分析

ReentrantLock简单使用demo如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
//业务逻辑
} finally {
lock.unlock();
}

注：获取的锁代码要放到try块之外，防止获得锁代码异常，抛出异常的同时，也会导致一次锁的释放。释放代码一定要放到finally块中。

AQS

了解java中的锁，首先的了解AQS。

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）队列同步器。是用来构建锁或者其它同步组件的基础框架，他实现了一个int成员变量标识同步状态（更改这个变量值来获取和释放锁），通过内置的FIFO双向队列来完成资源获取线程排队的工作。

AQS可以实现独占锁和共享锁，RenntrantLock实现的是独占锁，ReentrantReadWriteLock实现的是独占锁和共享锁，CountDownLatch实现的是共享锁。

ReentrantLock 类结构信息如下图：



ReentrantLock 实现 Lock 和 Serializable 接口

RentrantLock 有三个内部类 Sync、NonfairSync 和 FairSync 类

Sync 继承 AbstractQueuedSynchronizer 抽象类

NonfairSync（非公平锁） 继承 Sync 抽象类

FairSync（公平锁） 继承 Sync 抽象类

公平锁和非公平锁

ReentrantLock 有两种实现方式，公平锁和非公平锁。

公平锁：当前线程不立刻获得锁，而是先直进入等待队列中队尾进行排队获取锁。

非公平锁：当前线程首先尝试获取一下锁（仅仅尝试一下），如果获取不到，则乖乖的进入到等待队列中去排队。

ReentrantLock实现公平锁和非公平锁代码如下：

/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
* This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}

/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
* given fairness policy.
*
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

* 获取非公平锁 *

/**
* Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}

首先通过CAS更新AQS中的state变量来获得锁（第一次获得锁），如果获取成功则把当前线程设置为独占锁

如果是设置失败，进入到acquire方法

public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}

首先执行tryAcquire方法，尝试获得锁。

如果获取失败则进入addWaiter方法，构造同步节点，将该节点添加到同步队列尾部，并返回此节点，进入acquireQueued方法。

acquireQueued方法，这个新节点死是循环的方式获取同步状态，如果获取不到则阻塞节点中的线程，阻塞后的节点等待前驱节点来唤醒。

/**
* Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
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) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

tryAcquire调用nonfairTryAcquire方法来第二次尝试获得锁

1. 如果state变量为0，则进行CAS尝试更新state来获得锁，并把该线程设置成独占锁，并返回true。

2. 如果state变量不为0，则判断当前线程是否为独占锁，如果是，则当前state+1（可重入锁），表示获取锁成功，更新state值，并返回true。这里更新state变量，不需要CAS更新，因为，当前线程已经获得锁。

private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}

将构造的同步节点加入到同步队列中

1. 使用链表的方式把该Node节点添加到队列尾部，如果tail的前驱节点不为空（队列不为空），则进行CAS添加到队列尾部。

2. 如果更新失败（存在并发竞争更新），则进入enq方法进行添加

private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

该方法使用CAS自旋的方式来保证向队列中添加Node（同步节点简写Node）

1. 如果队列为空，则把当前Node设置成头节点

2. 如果队列不为空，则向队列尾部添加Node

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

在acquireQueued方法中，当前线程在死循环中尝试获取同步状态，

1. 如果当前节点的前驱节点头节点才能尝试获得锁，如果获得成功，则把当前线程设置成头结点，把之前的头结点从队列中移除，等待垃圾回收（没有对象引用）

2. 如果获取锁失败则进入shouldParkAfterFailedAcquire方法中检测当前节点是否可以被安全的挂起（阻塞），如果可以安全挂起则进入parkAndCheckInterrupt方法，把当前线程挂起,并检查刚线程是否执行了interrupted方法。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* 尝试将当前节点的前驱节点的等待状态设为SIGNAL
* 1/这为什么用CAS，现在已经入队成功了，前驱节点就是pred，除了node外应该没有别的线程在操作这个节点了，那为什么还要用CAS？而不直接赋值呢？
* （解释：因为pred可以自己将自己的状态改为cancel，也就是pred的状态可能同时会有两条线程（pred和node）去操作）
* 2/既然前驱节点已经设为SIGNAL了，为什么最后还要返回false
* （因为CAS可能会失败，这里不管失败与否，都返回false，下一次执行该方法的之后，pred的等待状态就是SIGNAL了）
* （网上摘抄的，解释的很明白）
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}

waitStatus状态值

状态	值	说明
CANCELLED	1	等待超时或者中断，需要从同步队列中取消
SIGNAL	-1	后继节点出于等待状态，当前节点释放锁后将会唤醒后继节点
CONDITION	-2	节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，其它线程对Condition调用signal()方法后，该节点将会从等待同步队列中移到同步队列中，然后等待获取锁。
PROPAGATE	-3	表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
INITIAL	0	初始状态

首先获取前驱节点的等待状态ws

如果ws为SIGNAL则表示可以被前驱节点唤醒，当前线程就可以挂起，等待前驱节点唤醒，返回true（可以挂起）

如果ws>0说明，前驱节点取消了，并循环查找此前驱节点之前所有连续取消的节点。并返回false（不能挂起）。

尝试将当前节点的前驱节点的等待状态设为SIGNAL

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

把当前线程挂起,并检查刚线程是否执行了interrupted方法，并返回true、false。

公平锁

公平锁和非公平锁实现方式是一样的，唯一不同的是tryAcquire方法的实现，下面是公平锁tryAcquire方法实现：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
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;
}

首先获取当前锁状态，如果当前state==0（无锁），则进行获取锁操作

hasQueuedPredecessors方法判断头结点是否当前线程，如果是当前线程则进行CAS更新获得锁，获取成功，把当前线程设置成独占锁。

如果不是头结点或获取锁失败则，则判断当前线程是否为独占锁，如果是，则当前state+1（可重入锁），表示获取锁成功，更新state值，并返回true。这里更新state变量，不需要CAS更新，因为，当前线程已经获得锁。

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