Java併發編程之鎖機制之（ReentrantLock)重入鎖
最近在忙公司的項目，如今終於有時間來寫博客啦~開心開心java
前言
經過前面的文章，咱們已經瞭解了AQS(AbstractQueuedSynchronizer)內部的實現與基本原理。如今咱們來了解一下，Java中爲咱們提供的Lock機制下的鎖實現--ReentrantLock（重入鎖），閱讀該篇文章以前，但願你已閱讀如下文章。編程
- Java併發編程之鎖機制之Lock接口
- Java併發編程之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)
- Java併發編程之鎖機制之LockSupport工具
- Java併發編程之鎖機制之Condition接口
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。bash
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。多線程
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。併發
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：ide
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：函數
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。工具
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。post
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：ui
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。
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。
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：
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：
!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。
最後
該文章參考如下圖書，站在巨人的肩膀上。能夠看得更遠。
- 《Java併發編程的藝術》
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