我們之前介紹過(guò)synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)程序的原子性操作，它的內(nèi)部也是一種加鎖和解鎖機(jī)制，是一種聲明式的編程方式，我們只需要對(duì)方法或者代碼塊進(jìn)行聲明，Java內(nèi)部幫我們?cè)谡{(diào)用方法之前和結(jié)束時(shí)加鎖和解鎖。而我們本篇將要介紹的顯式鎖是一種手動(dòng)式的實(shí)現(xiàn)方式，程序員控制鎖的具體實(shí)現(xiàn)，雖然現(xiàn)在越來(lái)越趨向于使用synchronized直接實(shí)現(xiàn)原子操作，但是了解了Lock接口的具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制將有助于我們對(duì)synchronized的使用。本文主要涉及以下一些內(nèi)容：

• 接口Lock的基本組成成員
• 可重入鎖ReentrantLock的基本使用
• 深入ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)原理
  

一、接口Lock的基本組成成員

Lock 位于java.util.concurrent.locks包下，源碼如下：

public interface Lock {
  void lock();
  void lockInterruptibly()
  boolean tryLock();
  boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)
  void unlock();
  Condition newCondition();
}

其中，

void lock();：調(diào)用該方法將獲得一個(gè)鎖的入口
lockInterruptibly()：該方法也是去獲得一個(gè)鎖，但是它是響應(yīng)中斷的，一旦在獲取的過(guò)程中遭遇中斷將拋出 InterruptedException。
boolean tryLock();：該方法嘗試著去獲得一個(gè)鎖，如果獲取失敗將返回false，并不會(huì)阻塞當(dāng)前線程
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)：嘗試著去獲取一個(gè)鎖，如果獲取失敗，將阻塞等待指定的時(shí)間，期間如果能夠獲得鎖將返回true，否則返回false，響應(yīng)中斷請(qǐng)求。
void unlock();：釋放一個(gè)鎖
Condition newCondition();：條件變量，留待下篇文章學(xué)習(xí)

二、可重入鎖ReentrantLock的基本使用

     ReentrantLock是接口 Lock的一個(gè)最主要的實(shí)現(xiàn)類，不僅實(shí)現(xiàn)了Lock中的基本的加鎖釋放鎖的方法，還擴(kuò)展了自己的方法。它有兩個(gè)構(gòu)造方法：

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

參數(shù) fair用于保證鎖機(jī)制的公平策略，公平的策略會(huì)是的等待時(shí)間越長(zhǎng)的線程優(yōu)先獲得鎖。保證公平必然會(huì)降低性能，所以ReentrantLock默認(rèn)并不保證公平。我們用ReentrantLock來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的原子操作：

public class MyThread extends Thread{
  
  private static Lock lock = new ReentrantLock();
  public static int count;
  
  @Override
  public void run() {
    try {
      Thread.sleep((int)Math.random()*100);
      lock.lock();
      count++;
      lock.unlock();
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

當(dāng)我們?cè)谥鞒绦蛑袉?dòng)一百個(gè)線程隨機(jī)喚醒對(duì)count進(jìn)行加一時(shí)，無(wú)論運(yùn)行多少次，結(jié)果都是一百，也就是說(shuō)我們的ReentrantLock是可以為我們保證原子操作的。

ReentrantLock還有一個(gè)特性就是可以重入性，即在本身獲得某個(gè)鎖的前提下可以隨意進(jìn)入被該鎖鎖住的其他方法，對(duì)于一個(gè)鎖可以重復(fù)進(jìn)入。除此之外，ReentrantLock還具有一些其他的有關(guān)鎖信息的方法：

• public int getHoldCount()：表示當(dāng)前線程持有該鎖的數(shù)量
• public boolean isHeldByCurrentThread()：判斷鎖是否為當(dāng)前線程持有
• public boolean isLocked()：判斷鎖是否為任意一個(gè)線程持有，如果有則返回true，否則返回false
• public final boolean hasQueuedThreads()：判斷該鎖上是否有線程進(jìn)行等待
• public final int getQueueLength()：返回當(dāng)前等待隊(duì)列的長(zhǎng)度，也就是等待進(jìn)入該鎖的線程個(gè)數(shù)
  

三、深入ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)原理

ReentrantLock依賴CAS和LockSupport來(lái)實(shí)現(xiàn)，LockSupport有點(diǎn)像工具類，它主要提供兩類方法，park和unpark。

• public static void park()
• public static void parkNanos(long nanos)
• public static void parkUntil(long deadline)
• public static void unpark(Thread thread)
  

調(diào)用park方法會(huì)使得當(dāng)前線程丟失CPU使用權(quán)，從Runnable狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閃aiting狀態(tài)。而unpark方法則反過(guò)來(lái)讓W(xué)aiting狀態(tài)的某個(gè)線程轉(zhuǎn)變狀態(tài)為Runnable，等待操作系統(tǒng)調(diào)度。parkNanos和parkUntil是和時(shí)間相關(guān)的兩個(gè)park的變種，parkNanos指定線程要等待的時(shí)間，parkUntil則指定線程要等待到什么時(shí)候，這個(gè)時(shí)間是一個(gè)絕對(duì)時(shí)間，相對(duì)于紀(jì)元的毫秒數(shù)。

Java的并發(fā)包中有很多并發(fā)工具，ReentrantReadWriteLock，Semaphore，CountDownLatch，ReentrantLock等。這些工具有很多的共同特性，于是Java為我們抽象了一個(gè)類AbstractQueuedSynchronizer（AQS）來(lái)表示這些工具的共性。ReentrantLock是其的一個(gè)實(shí)現(xiàn)類，內(nèi)部有三個(gè)內(nèi)部類：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{
  //......
}

static final class NonfairSync extends Sync{
  //...........
}

static final class FairSync extends Sync {
  //.............
}

Sync 繼承了AQS并對(duì)其中的大部分代碼進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)airSync 和NonfairSync 是針對(duì)公平策略而定義的，如果構(gòu)造ReentrantLock的時(shí)候指定公平的策略，那么其內(nèi)部的所有方法都依賴這個(gè)FairSync ，否則就全部依賴NonfairSync。接著看ReentrantLock的構(gòu)造函數(shù)：

private final Sync sync;

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

兩個(gè)構(gòu)造方法最終會(huì)對(duì)sync進(jìn)行初始化，而sync的將在后續(xù)的方法中起到相當(dāng)大的作用。我們先看lock方法的具體實(shí)現(xiàn)：

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

ReentrantLock的lock方法調(diào)用的sync的lock方法，而在sync中的lock方法是一個(gè)抽象的方法，也就是說(shuō)這個(gè)方法的具體實(shí)現(xiàn)在子類中，我們看NonfairSync中的實(shí)現(xiàn)：

final void lock() {
  if (compareAndSetState(0, 1))
    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
  else
    acquire(1);
}

AQS中有一個(gè)整型類型的State變量，它用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前鎖被持有的次數(shù)，該值為0表示當(dāng)前鎖沒(méi)有被任何線程持有。compareAndSetState是AQS中的方法，該方法調(diào)用了unsafe.compareAndSwapInt方法以CAS方式對(duì)State進(jìn)行了更新，如果state的值為0，說(shuō)明該鎖并沒(méi)有被任何線程持有，那么當(dāng)前線程將持有該鎖并將state的值賦為1。

這就完成了獲取的動(dòng)作，一旦后續(xù)的線程嘗試訪問(wèn)臨界區(qū)代碼，在前面的線程沒(méi)有釋放鎖之前，將會(huì)調(diào)用 acquire(1)。

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

tryAcquire還是調(diào)用了AQS中的實(shí)現(xiàn)，

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;
}

第一個(gè)if判斷，想要持有的鎖是否被持有（雖然之前判斷過(guò)了，但是有可能在我們調(diào)用nonfairTryAcquire方法的期間，之前的線程釋放了該鎖），如果未被任何線程持有，那么將直接持有該鎖。

第二個(gè)if判斷，如果當(dāng)前鎖的持有者就是當(dāng)前線程，表示這是同線程的重入操作，于是增加鎖定次數(shù)并設(shè)置state的值。

整個(gè)方法結(jié)束之后，如果當(dāng)前線程獲得了鎖，都將返回true，否則都會(huì)返回false。而如果tryAcquire方法返回true，那么整個(gè)acquire方法也將結(jié)束，否則就說(shuō)明當(dāng)前線程并沒(méi)有通過(guò)鎖，需要被阻塞。那么就會(huì)調(diào)用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)方法。

private Node addWaiter(Node mode) {
  Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
  Node pred = tail;
  if (pred != null) {
    node.prev = pred;
    if (compareAndSetTail(pred, node)) {
      pred.next = node;
      return node;
    }
  }
  enq(node);
  return node;
}

addWaiter方法將當(dāng)前線程包裹成一個(gè)Node結(jié)點(diǎn)，添加到AQS內(nèi)部所維護(hù)的一個(gè)等待隊(duì)列并返回該Node結(jié)點(diǎn)。最后調(diào)用acquireQueued方法：

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);
  }
}

該方法首先會(huì)去獲得node的前一個(gè)結(jié)點(diǎn)，判斷如果是head結(jié)點(diǎn)，那么說(shuō)明當(dāng)前的node結(jié)點(diǎn)是整個(gè)等待隊(duì)列上的第一個(gè)等待的結(jié)點(diǎn)。于是讓它嘗試著去獲得鎖，如果能夠獲得鎖，將從等待隊(duì)列中清除它并返回。

如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前結(jié)點(diǎn)前面還有等待的結(jié)點(diǎn)或者嘗試獲取鎖失敗，那么將會(huì)調(diào)用shouldParkAfterFailedAcquire方法判斷該結(jié)點(diǎn)鎖對(duì)應(yīng)的線程是否需要被unpark阻塞，并最終調(diào)用LockSupport.park(this)阻塞當(dāng)前線程。

在第一個(gè)線程持有該鎖的前提下，成功阻塞了第二個(gè)線程。這大概就是整個(gè)lock方法的調(diào)用鏈流程。

接下來(lái)看看unlock的具體實(shí)現(xiàn)，

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

這是ReentrantLock中對(duì)AQS的unlock的具體實(shí)現(xiàn)，調(diào)用了sync的release方法，這個(gè)方法是其父類AQS中的方法：

public final boolean release(int arg) {
  if (tryRelease(arg)) {
    Node h = head;
    if (h != null && h.waitStatus != 0)
      unparkSuccessor(h);
    return true;
  }
  return false;
}

tryRelease被sync重寫，具體代碼如下：

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;
}

首先判斷如果當(dāng)前線程并不是鎖的當(dāng)前持有者，拋出異常（不持有該鎖自然不能釋放該鎖）。如果c等于0則表示，當(dāng)前鎖只被持有一次，也就是當(dāng)前線程并沒(méi)有多次重入該鎖，于是將該鎖的持有者設(shè)置為null，表示未被任何線程持有。如果c不等于0，那么說(shuō)明該鎖被當(dāng)前線程重入多次，于是對(duì)state減一并設(shè)置state的值。最終如果返回true則說(shuō)明該鎖被釋放了，否則說(shuō)明當(dāng)前線程依然持有該鎖。

回到release方法，如果tryRelease(arg)返回true，那么方法體會(huì)判斷當(dāng)前等待隊(duì)列是否有結(jié)點(diǎn)在等待該鎖，如果有則調(diào)用unparkSuccessor(h)方法喚醒等待隊(duì)列上的第一個(gè)等待的結(jié)點(diǎn)線程并返回true。

這里有一個(gè)細(xì)節(jié)，其實(shí)所有未能獲得鎖的線程都被阻塞在方法中：

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())
        //******等待線程喚醒的起始位置********//
        interrupted = true;
    }
  } finally {
    if (failed)
      cancelAcquire(node);
  }
}

未能獲得鎖的線程被方法parkAndCheckInterrupt阻塞了，所以當(dāng)我們?cè)趗nlock中調(diào)用unpark喚醒一個(gè)等待隊(duì)列上的線程結(jié)點(diǎn)時(shí)，線程將從此處重新進(jìn)入死循環(huán)嘗試去獲取鎖。如果能夠獲得鎖，將從等待隊(duì)列中移除自己，并返回，否則再次被阻塞等待喚醒。

整個(gè)unlock方法的執(zhí)行流程也已經(jīng)大致介紹完成，最后我們看看可重入鎖ReentrantLock和synchronized的一些對(duì)比。

四、ReentrantLock對(duì)比synchronized

     synchronized更傾向于一種聲明式的編程方式，我們?cè)诜椒ㄇ笆褂胹ynchronized修飾，Java會(huì)自動(dòng)為我們實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的細(xì)節(jié)，什么時(shí)候加鎖，什么時(shí)候釋放鎖都是它負(fù)責(zé)的。
     而對(duì)于我們的ReentrantLock重入鎖來(lái)說(shuō)，需要我們自己手動(dòng)的去加鎖和釋放鎖，對(duì)于邏輯的要求更高，也相對(duì)更難。
     而隨著jvm版本的更新和優(yōu)化，ReentrantLock和synchronized在性能上的差別在逐漸縮小，所以一般建議使用synchronized而盡量避免復(fù)雜難操作的ReentrantLock。

對(duì)于顯式鎖的基本情況大致介紹如上，如有錯(cuò)誤之處，望指出！

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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