ReentrantLock

简单介绍

ReentrantLock 是一个可重入的独占锁

  • 可重入
    同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然可以获取该锁的代码
    该特性带来的两个问题:
    • 如何识别获取锁的线程是否为当前占据锁的线程
    • 线程重复 n 次获取了锁，需要释放 n 次锁，否则会导致别的线程无法获得锁
  • 独占
    一次只能被一个线程所持有
类型
private final Sync sync;

ReentrantLock 的内部类 Sync 继承了 AQS（AbstractQueuedSynchronizer），并且有公平锁 FairSync 和 非公平锁 NonfaireSync 两个字类，ReentrantLock 的获取与释放锁操作都是委托给该同步组件来实现的
（注：该篇文章里所有 AQS 相关的内容会再写一篇相关的文章，这里不详细介绍）

  • 公平锁
    是指当锁可用时，在锁上等待时间最长的线程将获取锁的使用权（先来先得）
    使用有参构造方法，传入 true 创建公平锁 
    public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
  • 非公平锁
    随机分配使用权，使用 ReentrantLock 无参的构造函数，默认创建的是非公平锁 
    public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
常用方法介绍
  • lock() 方法获取锁，如果获取不到锁，则当前线程在获取到锁之前都不可调度（不响应中断） 
    public void lock() {
    sync.lock();
}
  • lockInterruptibly() 方法获取锁，则当前线程在获取到锁之前都不可调度，除非有其他线程中断了当前线程（响应中断） 
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    sync.acquireInterruptibly(1);
}
  • tryLock() 方法获取锁，如果调用的时候能够获取锁，那么就获取锁并且返回 true，如果当前的锁无法获取到，那么这个方法会立刻返回 false 
    public boolean tryLock() {
    return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
  • tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 方法获取锁，在指定时间内尝试获取锁。如果可以获取锁，则获取锁并返回 true ，如果无法获取锁，则当前线程变为不可调度，除非当前线程被中断或者到了指定的等待时间 
    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
  • unlock() 释放锁，释放当前线程占用的锁。注意：获取了几次锁，就要释放几次锁 
    public void unlock() {
    sync.release(1);
}
  • newCondition() 方法，返回一个与当前的锁关联的条件变量。在使用这个条件变量之前，当前线程必须占用锁。调用 Condition 的 await 方法，会在等待之前原子地释放锁，并在等待被唤醒后原子的获取锁 
    public Condition newCondition() {
    return sync.newCondition();
}
  • isHeldByCurrentThread() 方法，查询当前线程是否保持锁定 
    public boolean isHeldByCurrentThread() {
    return sync.isHeldExclusively();
}
  • isLocked() 方法，查询该锁是否已经被锁定 
    public boolean isLocked() {
    return sync.isLocked();
}
  • isFair() 方法，判断锁是公平锁还是非公平锁 
    public final boolean isFair() {
    return sync instanceof FairSync;
}
Sync 内部类
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  ...
}

Sync 是一个抽象类型，它继承 AbstractQueuedSynchronizer，这个 AbstractQueuedSynchronizer 是一个模板类，它实现了许多和锁相关的功能，并提供了钩子方法供用户实现，比如 tryAcquire，tryRelease 等

static final class NonfairSync extends Sync {
    final void lock() {
        ...
    }
}
static final class FairSync extends Sync {
    final void lock() {
        ...
    }
}

NonfairSync 和 FairSync 两个类继承自 Sync ，实现了 lock 方法

  • lock
    当我们调用 ReentrantLock 的 lock 方法的时候，实际上是调用了 NonfairSync 或者 FairSync 的 lock 方法
    • NonfairSync 非公平锁的 lock 实现 
      final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}
    这个方法先用 CAS 操作，去尝试抢占该锁。如果成功，就把当前线程设置在这个锁上，表示抢占成功。如果失败，则调用 acquire 模板方法，等待抢占
    acquire 方法里调用了 tryAcquire(int arg) 方法，NonfairSync 的 tryAcquire 实际上又调用的 Sync 的 nonfairTryAcquire 方法，如下 
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) { // 判断锁的状态是不是 0，如果是，则尝试去原子抢占这个锁
        if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 如果抢占到了，把状态设置为1
            setExclusiveOwnerThread(current); // 并且设置当前线程为独占线程
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 如果锁的状态不为 0，判断该线程是否是独占线程（可重入）
        int nextc = c + acquires; // 如果当前线程是独占线程，则增加状态变量的值
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc); // 给状态变量赋值
        return true;
    }
    return false;
}
    tryAcquire 一旦返回 false，就会则进入 acquireQueued 流程，此段代码中锁的获取可以分为两种情况：
    1. state为0时：代表锁已经释放，可以去获取，所以使用 CAS 去获取锁，如果获取成功，则代表竞争锁成功，调用 setExclusiveOwnerThread 设置当前线程为独占线程，因为队列中的线程和新线程都可以 CAS 获取锁不需要排队，所以是非公平锁
    2. status不为0时：代表锁已经被占有，如果当前线程是占有锁的线程（current == getExclusiveOwnerThread() 为 true）,更新state，意味着当前线程又一次的获取了锁，这就是可重入。
    • FairSync 公平锁的 lock 实现 
      final void lock() {
    acquire(1);
}
    acquire 方法里同样调用了 tryAcquire(int arg) 方法， FairSync 的 tryAcquire 方法实现如下： 
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {  // 判断锁的状态是不是 0，如果是 0，再判断是否有线程在排队获取锁
        if (!hasQueuedPredecessors() &&  // 如果没有线程在排队获取锁则尝试原子抢占锁
            compareAndSetState(0, acquires)) {  // 如果抢占到了，把状态设置为1
            setExclusiveOwnerThread(current);  // 并且设置当前线程为独占线程
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 如果锁的状态不为 0，判断该线程是否是独占线程（可重入）
        int nextc = c + acquires; // 如果当前线程是独占线程，则增加状态变量的值
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc); // 给状态变量赋值
        return true;
    }
    return false;
}
    tryAcquire 一旦返回 false，就会则进入 acquireQueued 流程，公平锁获取锁的过程与非公平锁不一样的地方在 state为0时 新线程需要判断有没有线程在排队获取锁，只有当没有的时候才会去尝试抢占锁，如果有线程在排队，新线程也会被加入到排队的队列中去
  • unlock
    unlock 方法，其实是直接调用 AbstractQueuedSynchronizer 的 release 操作， release 方法先调用了 tryRelease 方法，Sync 的 tryRelease 方法实现如下： 
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases; //状态变量值减少，这里是考虑到可重入锁可能自身会多次占用锁
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) // 如果当前线程不是独占线程则抛异常
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) { // 当状态值为 0 ，锁释放
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null); // 将独占线程设置为 null
    }
    setState(c); // 状态变量赋值
    return free;
}
    一旦 tryRelease 成功，下一个节点的线程被唤醒，被唤醒的线程就会进入 acquireQueued 流程中，去获取锁
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