深入剖析Java ReentrantLock的源碼

更新時(shí)間：2022年11月18日 16:39:47 作者：一燈架構(gòu)

ReentrantLock和Synchronized都是Java開(kāi)發(fā)中最常用的鎖，與Synchronized這種JVM內(nèi)置鎖不同的是，ReentrantLock提供了更豐富的語(yǔ)義。本文就來(lái)深入剖析一下ReentrantLock源碼，需要的可以參考一下

ReentrantLock和Synchronized都是Java開(kāi)發(fā)中最常用的鎖，與Synchronized這種JVM內(nèi)置鎖不同的是，ReentrantLock提供了更豐富的語(yǔ)義。可以創(chuàng)建公平鎖或非公平鎖、響應(yīng)中斷、超時(shí)等待、按條件喚醒等。在某些場(chǎng)景下，使用ReentrantLock更適合，功能更強(qiáng)大。

前兩篇文章，我們分析了AQS的加鎖流程、以及源碼實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)我們就說(shuō)了，AQS使用了模板設(shè)計(jì)模式，父類中定義加鎖流程，子類去實(shí)現(xiàn)具體的加鎖邏輯。所以大部分加鎖代碼已經(jīng)在父類AQS中實(shí)現(xiàn)了，導(dǎo)致ReentrantLock的源碼非常簡(jiǎn)單，一塊學(xué)習(xí)一下。

先看一下ReentrantLock怎么使用？

1. ReentrantLock的使用

/**
 * @author 一燈架構(gòu)
 * @apiNote ReentrantLock示例
 **/
public class ReentrantLockDemo {
    
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 創(chuàng)建ReentrantLock對(duì)象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 2. 加鎖
        lock.lock();
        try {
            // 3. 這里執(zhí)行具體的業(yè)務(wù)邏輯
        } finally {
            // 4. 釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }
}

可以看到ReentrantLock的使用非常簡(jiǎn)單，調(diào)用lock加鎖，unlock釋放鎖，需要配置try/finally使用，保證在代碼執(zhí)行出錯(cuò)的時(shí)候也能釋放鎖。

ReentrantLock也可以配合Condition條件使用，具體可以翻一下前幾篇文章中BlockingQueue的源碼解析，那里面有ReentrantLock的實(shí)際使用。

再看一下ReentrantLock的類結(jié)構(gòu)

2. ReentrantLock類結(jié)構(gòu)

// 實(shí)現(xiàn)Lock接口
public class ReentrantLock implements Lock {

    // 只有一個(gè)Sync同步變量
    private final Sync sync;

    // Sync繼承自AQS，主要邏輯都在這里面
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    }

    // Sync的兩個(gè)子類，分別實(shí)現(xiàn)了公平鎖和非公平鎖
    static final class FairSync extends Sync {
    }
    static final class NonfairSync extends Sync {
    }

}

可以看出ReentrantLock的類結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了Lock接口。

類里面有兩個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類，分別實(shí)現(xiàn)公平鎖和非公平鎖。

看一下Lock接口中，定義了哪些方法？

public interface Lock {

    // 加鎖
    void lock();

    // 加可中斷的鎖
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    // 嘗試加鎖
    boolean tryLock();

    // 一段時(shí)間內(nèi)，嘗試加鎖
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    // 釋放鎖
    void unlock();

    // 新建條件狀態(tài)
    Condition newCondition();
}

就是一些使用鎖的常用方法。

在上篇文章中瀏覽AQS源碼的時(shí)候，了解到AQS定義了一些有關(guān)具體加鎖、釋放鎖的抽象方法，留給子類去實(shí)現(xiàn)，再看一下有哪些抽象方法：

// 加獨(dú)占鎖
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放獨(dú)占鎖
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 加共享鎖
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放共享鎖
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 判斷是否是當(dāng)前線程正在持有鎖
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

由于ReentrantLock使用的是獨(dú)占鎖，所以只需要實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖相關(guān)的方法就可以了。

3. ReentrantLock源碼解析

3.1 ReentrantLock構(gòu)造方法

// 默認(rèn)的構(gòu)造方法，使用非公平鎖
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

// 傳true，可以指定使用公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

在創(chuàng)建ReentrantLock對(duì)象的時(shí)候，可以指定使用公平鎖還是非公平鎖，默認(rèn)使用非公平鎖，顯然非公平鎖的性能更好。

先思考一個(gè)面試?？紗?wèn)題，公平鎖和非公平鎖是怎么實(shí)現(xiàn)的？

3.2 非公平鎖源碼

先看一下加鎖源碼：

從父類ReentrantLock的加鎖方法入口：

public class ReentrantLock implements Lock {
    // 加鎖入口方法
    public void lock() {
        // 調(diào)用Sync中加鎖方法
        sync.lock();
    }
}

在子類NonfairSync的加鎖方法：

// 非公平鎖
static final class NonfairSync extends Sync {

    // 加鎖
    final void lock() {
        // 1. 先嘗試加鎖（使用CAS設(shè)置state=1）
        if (compareAndSetState(0, 1))
            // 2. 加鎖成功，就把當(dāng)前線程設(shè)置為持有鎖線程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 3. 沒(méi)加鎖成功，再調(diào)用父類AQS中實(shí)際的加鎖邏輯
            acquire(1);
    }
}

加鎖邏輯也很簡(jiǎn)單，先嘗試使用CAS加鎖（也就是把state從0設(shè)置成1），加鎖成功，就把當(dāng)前線程設(shè)置為持有鎖線程。

設(shè)計(jì)者很聰明，在鎖競(jìng)爭(zhēng)不激烈的情況下，很大概率可以加鎖成功，也就不用走else中復(fù)雜的加鎖邏輯了。

如果沒(méi)有加鎖成功，還是需要走else中調(diào)用父類AQS的acquire方法，而acquire又需要調(diào)用子類的tryAcquire方法。

調(diào)用鏈路就是下面這樣：

根據(jù)調(diào)用鏈路，實(shí)際的加鎖邏輯在Sync.nonfairTryAcquire方法里面。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 非公平鎖的最終加鎖方法
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 1. 獲取同步狀態(tài)
        int c = getState();
        // 2. state=0表示無(wú)鎖，先嘗試加鎖（使用CAS設(shè)置state=1）
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 3. 加鎖成功，就把當(dāng)前線程設(shè)置為持有鎖線程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            // 4. 如果當(dāng)前線程已經(jīng)持有鎖，執(zhí)行可重入的邏輯
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 5. 加鎖次數(shù)+acquires
            int nextc = c + acquires;
            // 6. 超過(guò)tnt類型最大值，溢出了
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

再看一下釋放鎖的調(diào)用流程，公平鎖和非公平鎖流程是一樣的，最終都是執(zhí)行Sync.tryRelease方法：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 釋放鎖
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // 1. 同步狀態(tài)減去釋放鎖次數(shù)
        int c = getState() - releases;
        // 2. 校驗(yàn)當(dāng)前線程不持有鎖，就報(bào)錯(cuò)
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 3. 判斷同步狀態(tài)是否等于0，無(wú)鎖后，就刪除持有鎖的線程
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

再看一下公平鎖的源碼

3.3 公平鎖源碼

先看一下公平鎖的加鎖流程：

最終的加鎖方法是FairSync.tryAcquire，看一下具體邏輯：

static final class FairSync extends Sync {

    // 實(shí)現(xiàn)父類的加鎖邏輯
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 1. 獲取同步狀態(tài)
        int c = getState();
        // 2. state=0表示無(wú)鎖，先嘗試加鎖（使用CAS設(shè)置state=1）
        if (c == 0) {
            // 3. 判斷當(dāng)前線程是不是頭節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)（講究先來(lái)后到）
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            // 4. 如果當(dāng)前線程已經(jīng)持有鎖，執(zhí)行可重入的邏輯
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 5. 加鎖次數(shù)+acquires
            int nextc = c + acquires;
            // 6. 超過(guò)tnt類型最大值，溢出了
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 判斷當(dāng)前線程是不是頭節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)（講究先來(lái)后到）
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
                ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }
}

公平鎖的釋放鎖邏輯跟非公平鎖一樣，上面已經(jīng)講過(guò)。