ReentrantLock

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ReentrantLock 实现原理

使用 synchronize 来做同步处理时，锁的获取和释放都是隐式的，实现的原理是通过编译后加上不同的机器指令来实现。

而 ReentrantLock 就是一个普通的类，它是基于 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)来实现的。

是一个重入锁：一个线程获得了锁之后仍然可以反复的加锁，不会出现自己阻塞自己的情况。

AQS 是 Java 并发包里实现锁、同步的一个重要的基础框架。

锁类型

ReentrantLock 分为公平锁和非公平锁，可以通过构造方法来指定具体类型：

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//默认非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

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

默认一般使用非公平锁，它的效率和吞吐量都比公平锁高的多(后面会分析具体原因)。

获取锁

通常的使用方式如下:

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private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run() {
    lock.lock();
    try {
        //do bussiness
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

公平锁获取锁

首先看下获取锁的过程：

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

可以看到是使用 sync的方法，而这个方法是一个抽象方法，具体是由其子类(FairSync)来实现的，以下是公平锁的实现:

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   final void lock() {
       acquire(1);
   }
   
   //AbstractQueuedSynchronizer 中的 acquire()
   public final void acquire(int arg) {
   if (!tryAcquire(arg) &&
       acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
       selfInterrupt();
}

第一步是尝试获取锁(tryAcquire(arg)),这个也是由其子类实现：

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    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

首先会判断 AQS 中的 state 是否等于 0，0 表示目前没有其他线程获得锁，当前线程就可以尝试获取锁。

注意:尝试之前会利用 hasQueuedPredecessors() 方法来判断 AQS 的队列中中是否有其他线程，如果有则不会尝试获取锁(这是公平锁特有的情况)。

如果队列中没有线程就利用 CAS 来将 AQS 中的 state 修改为1，也就是获取锁，获取成功则将当前线程置为获得锁的独占线程(setExclusiveOwnerThread(current))。

如果 state 大于 0 时，说明锁已经被获取了，则需要判断获取锁的线程是否为当前线程(ReentrantLock 支持重入)，是则需要将 state + 1，并将值更新。

写入队列

如果 tryAcquire(arg) 获取锁失败，则需要用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 将当前线程写入队列中。

写入之前需要将当前线程包装为一个 Node 对象(addWaiter(Node.EXCLUSIVE))。

AQS 中的队列是由 Node 节点组成的双向链表实现的。

包装代码:

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private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

首先判断队列是否为空，不为空时则将封装好的 Node 利用 CAS 写入队尾，如果出现并发写入失败就需要调用 enq(node); 来写入了。

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private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

这个处理逻辑就相当于自旋加上 CAS 保证一定能写入队列。

挂起等待线程

写入队列之后需要将当前线程挂起(利用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))：

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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);
    }
}

首先会根据 node.predecessor() 获取到上一个节点是否为头节点，如果是则尝试获取一次锁，获取成功就万事大吉了。

如果不是头节点，或者获取锁失败，则会根据上一个节点的 waitStatus 状态来处理(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))。

waitStatus 用于记录当前节点的状态，如节点取消、节点等待等。

shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 返回当前线程是否需要挂起，如果需要则调用 parkAndCheckInterrupt()：

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private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

他是利用 LockSupport 的 part 方法来挂起当前线程的，直到被唤醒。

非公平锁获取锁

公平锁与非公平锁的差异主要在获取锁：

公平锁就相当于买票，后来的人需要排到队尾依次买票，不能插队。

而非公平锁则没有这些规则，是抢占模式，每来一个人不会去管队列如何，直接尝试获取锁。

非公平锁:

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final void lock() {
    //直接尝试获取锁
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

公平锁:

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final void lock() {
    acquire(1);
}

还要一个重要的区别是在尝试获取锁时tryAcquire(arg)，非公平锁是不需要判断队列中是否还有其他线程，也是直接尝试获取锁：

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final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //没有 !hasQueuedPredecessors() 判断
        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;
}

释放锁

公平锁和非公平锁的释放流程都是一样的：

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

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
        	   //唤醒被挂起的线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

//尝试释放锁
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;
}

首先会判断当前线程是否为获得锁的线程，由于是重入锁所以需要将 state 减到 0 才认为完全释放锁。

释放之后需要调用 unparkSuccessor(h) 来唤醒被挂起的线程。

总结

由于公平锁需要关心队列的情况，得按照队列里的先后顺序来获取锁(会造成大量的线程上下文切换)，而非公平锁则没有这个限制。

所以也就能解释非公平锁的效率会被公平锁更高。

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