Java併發編程之鎖機制之（ReentrantLock)重入鎖
ReentrantLock基本介紹
ReentrantLock 是一種 可重入 的 互斥鎖 ，它具備與使用 synchronized 方法和語句所訪問的隱式監視器鎖相同的一些基本行爲和語義，但功能更強大。java
ReentrantLock 將由最近成功得到鎖，而且尚未釋放該鎖的線程所擁有。當鎖沒有被另外一個線程所擁有時，調用 lock 的線程將成功獲取該鎖並返回。若是當前線程已經擁有該鎖，此方法將當即返回。可使用 isHeldByCurrentThread() 和 getHoldCount() 方法來檢查此狀況是否發生。編程
此類的構造方法接受一個可選的 公平 參數。當設置爲 true 時(也是當前 ReentrantLock爲公平鎖的狀況 )，在多個線程的爭用下，這些鎖傾向於將訪問權授予等待時間最長的線程。不然此鎖將沒法保證任何特定訪問順序。與採用默認設置（使用不公平鎖）相比，使用公平鎖的程序在許多線程訪問時表現爲很低的整體吞吐量（即速度很慢，經常極其慢），可是在得到鎖和保證鎖分配的均衡性時差別較小。不過要注意的是，公平鎖不能保證線程調度的公平性。所以，使用公平鎖的衆多線程中的一員可能得到多倍的成功機會，這種狀況發生在其餘活動線程沒有被處理而且目前並未持有鎖時。還要注意的是，未定時的 tryLock 方法並無使用公平設置。由於即便其餘線程正在等待，只要該鎖是可用的，此方法就能夠得到成功。多線程
ReentrantLock 類基本結構
經過上文的簡單介紹後，我相信不少小夥伴仍是一臉懵逼，只知道上文咱們提到了 ReentrantLock 與 synchronized 相比有相同的語義，同時其內部分爲了 公平鎖 與 非公平鎖 兩種鎖的類型，且該鎖是支持 重進入 的。那麼爲了方便你們理解這些知識點，咱們先從其類的基本結構講起。具體類結構以下圖所示：架構
從上圖中咱們能夠看出，在 ReentrantLock 類中，定義了三個靜態內部類， Sync 、 FairSync（公平鎖） 、 NonfairSync（非公平鎖 ）。其中 Sync 繼承了 AQS（AbstractQueuedSynchronizer） ，而 FairSync 與 NonfairSync 又分別繼承了 Sync 。關於 ReentrantLock 基本類結構以下所示：併發
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private final Sync sync;
//默認無參構造函數，默認爲非公平鎖
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
//帶參數的構造函數，用戶本身來決定是公平鎖仍是非公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
//抽象基類繼承AQS，公平鎖與非公平鎖繼承該類，並分別實現其lock()方法
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
abstract void lock();
//省略部分代碼..
}
//非公平鎖實現
static final class NonfairSync extends Sync {...}
//公平鎖實現
static final class FairSync extends Sync {....}
//鎖實習，根據具體子類實現調用
public void lock() {
sync.lock();
}
//響應中斷的獲取鎖
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
//嘗試獲取鎖，默認採用非公平鎖方法實現
public boolean tryLock() {
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
//超時獲取鎖
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
//釋放鎖
public void unlock() {
sync.release(1);
}
//建立鎖條件（從Condetion來理解，就是建立等待隊列）
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
//省略部分代碼....
}
複製代碼
這裏爲了方便你們理解 ReentrantLock 類的總體結構，我省略了一些代碼及從新排列了一些代碼的順序。ide
從代碼中咱們能夠看出。整個 ReentrantLock 類的實現其實都是交給了其內部 FairSync 與 NonfairSync 兩個類。在 ReentrantLock 類中有兩個構造函數，其中不帶參數的構造函數中默認使用的 NonfairSync（非公平鎖） 。另外一個帶參數的構造函數，用戶本身來決定是 FairSync（公平鎖） 仍是非公平鎖。函數
重進入實現
在上文中，咱們提到了 ReentrantLock 是支持重進入的，那什麼是重進入呢？ 重進入是指任意線程在獲取到鎖以後可以再次獲取該鎖，而不會被鎖阻塞 。那接下來咱們看看這個例子，以下所示：post
class ReentrantLockDemo {
private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
methodA();
}
});
thread.start();
}
public static void methodA() {
lock.lock();
try {
System.out.println("我已經進入methodA方法了");
methodB();//方法A中繼續調用方法B
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void methodB() {
lock.lock();
try {
System.out.println("我已經進入methodB方法了");
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
//輸出結果
我已經進入methodA方法了
我已經進入methodB方法了
複製代碼
在上述代碼中咱們聲明瞭一個線程調用methodA()方法。同時在該方法內部咱們又調用了methodB()方法。從實際的代碼運行結果來看，當前線程進入方法A以後。在方法B中再次調用 lock.lock(); 時，該線程並無被阻塞。也就是說 ReentrantLock 是支持重進入的。那下面咱們就一塊兒來看看其內部的實現原理。學習
由於 ReenTrantLock 將具體實現交給了 NonfairSync（非公平鎖） 與 FairSync(公平鎖) 。同時又由於上述提到的兩個鎖，關於重進入的實現又很是類似。因此這裏將採用 NonfairSync（非公平鎖） 的重進入的實現，來進行分析。但願讀者朋友們閱讀到這裏的時候須要注意，不是我懶哦，是真的很類似哦。ui
好了下面咱們來看代碼。關於NonfairSync代碼以下所示：
static final class NonfairSync extends Sync {
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))////直接獲取同步狀態成功，那麼就再也不走嘗試獲取鎖的過程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
複製代碼
當咱們調用lock()方法時，經過CAS操做將AQS中的state的狀態設置爲1，若是成功，那麼表示獲取同步狀態成功。那麼會接着調用 setExclusiveOwnerThread(Thread thread) 方法來設置當前佔有鎖的線程。若是失敗，則調用 acquire(int arg) 方法來獲取同步狀態（該方法是屬於AQS中的獨佔式獲取同步狀態的方法，對該方法不熟悉的小夥伴，建議閱讀 Java併發編程之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer) ）。而該方法內部會調用 tryAcquire(int acquires) 來嘗試獲取同步狀態。經過觀察，咱們發現最終會調用 Sync 類中的 nonfairTryAcquire(int acquires) 方法。咱們繼續跟蹤。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//獲取當前線程
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//(1)判斷同步狀態，若是未設置，則設置同步狀態
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//(2)若是當前線程已經獲取了同步狀態，則增長同步狀態的值。
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;
}
複製代碼
從代碼上來看，該方法主要走兩個步驟，具體以下所示：
- （1）先判斷同步狀態， 若是不曾設置，則設置同步狀態，並設置當前佔有鎖的線程。
- （2）判斷是不是同一線程，若是當前線程已經獲取了同步狀態（也就是獲取了鎖），那麼增長同步狀態的值。
也就是說，若是同一個鎖獲取了鎖N( N爲正整數 )次，那麼對應的同步狀態 （state) 也就等於N。那麼接下來的問題來了， 若是當前線程重複N次獲取了鎖，那麼該線程是否須要釋放鎖N次呢？ 答案固然是必須的。當咱們調用 ReenTrantLock 的unlock()方法來釋放同步狀態（也就是釋放鎖）時，內部會調用 sync.release(1); 。最終會調用 Sync 類的 tryRelease(int releases) 方法。具體代碼以下所示：
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;
}
複製代碼
從代碼中，咱們能夠知道，每調用一次 unlock() 方法會將當前同步狀態減一。也就是說若是當前線程獲取了鎖N次，那麼獲取鎖的相應線程也須要調用 unlock() 方法N次。這也是爲何咱們在以前的重入鎖例子中，爲何 methodB 方法中也要釋放鎖的緣由。
非公平鎖
在ReentrantLock中有着 非公平鎖 與 公平鎖 的概念，這裏我先簡單的介紹一下 公平 這兩個字的含義。 這裏的公平是指線程獲取鎖的順序。也就是說鎖的獲取順序是按照當前線程請求的絕對時間順序，固然前提條件下是該線程獲取鎖成功 。
那麼接下來，咱們來分析在ReentrantLock中的非公平鎖的具體實現。
這裏須要你們具有 AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 類的相關知識。若是你們不熟悉這塊的知識。建議你們閱讀 Java併發編程之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 。
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//直接獲取同步狀態成功，那麼就再也不走嘗試獲取鎖的過程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
//省略部分代碼...
}
複製代碼
當在ReentrantLock在 非公平鎖的模式下 ，去調用lock（）方法。那麼接下來最終會走 AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 下的 acquire(int arg)（獨佔式的獲取同步狀態） ，也就是以下代碼：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
複製代碼
那麼結合以前咱們所講的AQS知識，在多個線程在 獨佔式 請求共享狀態下（也就是請求鎖）的狀況下，在AQS中的同步隊列中的線程節點狀況以下圖所示：
那麼咱們試想一種狀況，當Nod1中的線程執行完相應任務後，釋放鎖後。這個時候原本該喚醒當前線程節點的 下一個節點 ,也就是 Node2中的線程 。這個時候忽然另外一線程忽然來獲取線程（這裏咱們用節點 Node5 來表示）。具體狀況以下圖所示：
那麼根據AQS中獨佔式獲取同步狀態的邏輯。只要 Node5對應的線程獲取同步狀態成功 。那麼就會出現下面的這種狀況，具體狀況以下圖所示：在此我向你們推薦一個架構學習交流裙。交流學習裙號：821169538，裏面會分享一些資深架構師錄製的視頻錄像
從上圖中咱們能夠看出，因爲Node5對象的線程搶佔了獲取同步狀態(獲取鎖)的機會，自己應該被喚醒的 Node2 線程節點。由於獲取同步狀態失敗。因此只有再次的陷入阻塞。那麼綜上。咱們能夠知道。 非公平鎖獲取同步狀態（獲取鎖）時不會考慮同步隊列中中等待的問題。會直接嘗試獲取鎖。也就是會存在後申請，可是會先得到同步狀態（獲取鎖）的狀況。
公平鎖
理解了非公平鎖，再來理解公平鎖就很是簡單了。下面咱們來看一下公平鎖與非公平鎖的加鎖的源碼：
從源碼咱們能夠看出，非公平鎖與公平鎖之間的代碼惟一區別就是多了一個判斷條件 !hasQueuedPredecessors()(圖中紅框所示) 。那咱們查看其源碼（該代碼在AQS中，強烈建議閱讀 Java併發編程之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)
）
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
複製代碼
代碼理解理解起來很是簡單，就是判斷當前當前head節點的next節點是否是當前請求同步狀態（請求鎖）的線程。也就是語句 ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread() 。那麼接下來結合AQS中的同步隊列咱們能夠獲得下圖：
那麼綜上咱們能夠得出，公平鎖保證了線程請求的同步狀態（請求鎖）的順序。不會出現另外一個線程搶佔的狀況。
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