Java锁详解之ReentrantLock

川长思鸟来 2021-12-19 22:15 331阅读 0赞

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### 文章目录 ###

*   *   *  写在前面
         *  ReentrantLock的重要方法
         *  ReentrantLock使用示例
         *  ReentrantLock的公平和非公平锁
         *  ReentrantLock的重入锁
         *  ReentrantLock的Condition机制
         *  ReentrantLock与synchronized（内部锁）性能比较
         *  Lock与synchronized区别

### 写在前面 ###

ReentrantLock继承了AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS），AQS用到了模板模式这种设计模式，所以阅读AQS和ReentrantLock的源码时，最好对**模板设计模式**有一定了解，这里我就讲AQS了。

ReentrantLock是除了synchronized用得较多的一种锁。ReentrantLock也属于重入锁，后面接着就会提到它的重入锁实现原理。

ReentrantLock的功能要比内部锁synchronized更多，如指定锁等待时间的方法tryLock(long time,TimeUnit unit)、中断锁的方法lockInterruptibly()、没获取锁直接返回的方法tryLock()。

**所以，什么时候选择ReentrantLock呢？**

一般是synchronized 不满足需求时，才选择ReentrantLock，比如实现立即返回、可中断、conditon机制时

### ReentrantLock的重要方法 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>lock()</td> 
   <td>获取锁。如果锁已经被占用，则等待</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>tryLock()</td> 
   <td>尝试获取锁，拿到锁返回true，没拿到返回false，并立即返回</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>tryLock(long time, TimeUnit unit)</td> 
   <td>在指定时间内会等待获取锁，如果一直拿不到就返回false，并立即返回。在等待过程中可以进行中断</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>lockInterruptibley()</td> 
   <td>获取锁。如果线程interrupted了，则跟着抛出异常中断</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>unLock()</td> 
   <td>释放锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>newCondition()</td> 
   <td>创建一个与此 Lock 实例一起使用的 Condition 实例。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### ReentrantLock使用示例 ###

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
     
     public void run() {
    	 // 加锁 
           if(lock.tryLock()){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 拿到锁");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                    // doSomething...
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    lock.unlock();// 释放锁
                }
    	    } else{
    	        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 获取锁失败");
    	    }
     }

### ReentrantLock的公平和非公平锁 ###

**公平锁**：公平锁讲究先来先到，线程在获取锁时，会先看这个锁的等待队列中是否有线程在等待，如果有，则当前线程就会直接进入等待队列中，而不是直接去抢占锁。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 初始化一个公平锁

**非公平锁**：不管是否有等待队列，先直接尝试获取锁，如果拿到锁，则立刻占有锁对象；如果未拿到，则自动排到队尾等待。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(); // 初始化一个非公平锁
    ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(false); // 初始化一个非公平锁

非公平锁的性能比公平锁的性能好很多，所以ReentrantLock默认是非公平锁。

为什么非公平锁性能好？

//公平锁静态内部类
    static final class FairSync extends Sync {
            private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    
            final void lock() {
                acquire(1);
            }
    
            protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
                final Thread current = Thread.currentThread();
                int c = getState();
                if (c == 0) {
                    // hasQueuedPredecessors返回true，说明当前节点不是头节点或队列不为空，此时直接加在队列后面
                    // hasQueuedPredecessors前面有个非符号，此时不再走&&后面的CAS操作。
                    // hasQueuedPredecessors返回false，说明当前节点是头节点或队列为空，
                    // 说明只有当前线程在竞争锁，此时可以进行compareAndSetState操作。
                    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;
            }
     }
     
    // 非公平锁静态内部类
    static final class NonfairSync extends Sync {
            private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
            
            final void lock() {
                if (compareAndSetState(0, 1))
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                else
                    acquire(1);
            }
    
            protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
                return nonfairTryAcquire(acquires); // 是Sync的方法
            }
     }
    
    // Sync的方法
    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()) {// 重入锁机制
    	            int nextc = c + acquires;
    	            if (nextc < 0) // overflow
    	                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    	            setState(nextc);
    	            return true;
    	        }
    	        return false;
    }

看了ReentrantLock的公平锁和非公平锁的源代码你就会发现，公平锁直接走的父类AbstractQueuedSynchronizer的acquire方法，而非公平锁是先作CAS操作。非公平锁这样做的优点是：  
1.如果直接拿到了锁，就避免了维护node链表队列  
2.如果直接拿到了锁，就避免了线程休眠和唤醒的上下文切换

### ReentrantLock的重入锁 ###

ReentrantLock它是怎么实现重入锁的呢？  
截取前面小节的部分代码：

else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
               int nextc = c + acquires;
               if (nextc < 0) // overflow
                   throw new Error("Maximum lock count exceeded");
               setState(nextc);
               return true;
           }

从代码可以看出，来获取锁的线程如果是当前占有锁的线程，则直接将nextc+1。而且从`if (nextc < 0)`知道，可重入的次数是int的最大值。刚入门的同学可能不知道为什么会是int的最大的值，这是因为一个int值在做不限制累加，到了最大值2147483647时会**溢出**变成负数，这个在大学计算机相关课程应该会讲到。

### ReentrantLock的Condition机制 ###

ReentrantLock还提供了Condition机制来进行复杂的线程控制功能。

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition。

ArrayBlockingQueue的实现就依靠了Condition机制。如下核心代码。

下面代码中Condition机制的核心原理就是：当前线程被哪个condtion阻塞(调用await)，就会加到当前condition的阻塞队列里。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    /**
     * 数组阻塞队列
     *
     * @param <E>
     */
    class ArrayBlockingQueueDemon<E> {
    
        final ReentrantLock lock;
    
        /**
         * put元素时被阻塞的条件
         */
        final Condition putCondition;
    
        /**
         * take数据时被阻塞的条件
         */
        final Condition takeCondition;
    
        /**
         * 放元素的队列
         */
        final Object[] items;
    
        /**
         * take下一个元素的索引下标
         */
        int takeIndex;
    
        /**
         * put下一个元素的索引下标
         */
        int putIndex;
        
        /**
         * 队列中元素个数
         */
        int count;
    
        /**
         * 构造方法
         *
         * @param capacity 允许队列
         * @param fair     是否创建公平锁
         */
        public ArrayBlockingQueueDemon(int capacity, boolean fair) {
            if (capacity <= 0) {
                throw new IllegalArgumentException();
            }
            this.items = new Object[capacity];
            lock = new ReentrantLock(fair);
            takeCondition = lock.newCondition();
            putCondition = lock.newCondition();
        }
    
        public void put(E e) throws InterruptedException {
            if (e == null) {
                throw new NullPointerException();
            }
            lock.lockInterruptibly();
            try {
                // 队列到达初始化上限时，不再允许向队列放数据，放数据的线程要等待
                // 此刻，当前线程会被添加到putCondition的阻塞队列里
                while (count == items.length) {
                    putCondition.await();
                }
                // 入队
                enqueue(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public E take() throws InterruptedException {
            lock.lockInterruptibly();
            try {
                // 当队列没有数据时，拿数据的线程等待
                // 此该，当前线程会被添加到takeCondition的阻塞队列里
                while (count == 0) {
                    takeCondition.await();
                }
                // 出队并返回
                return dequeue();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    
        private void enqueue(E x) {
            items[putIndex] = x;
            ++putIndex;
            if (putIndex == items.length) {
                putIndex = 0;
            }
            count++;
            // 队列里增加元素了，可以唤醒取元素的线程了
            takeCondition.signal();
        }
    
        private E dequeue() {
            E x = (E) items[takeIndex];
            items[takeIndex] = null;
            ++takeIndex;
            if (takeIndex == items.length) {
                takeIndex = 0;
            }
            count--;
            // 队列元素减少了，腾出了位置，可唤醒放元素的线程了
            putCondition.signal();
            return x;
        }
    
    }

**注意**：

1.  Condition在使用之前，一定要先获取监视器。即调用Condition的await()和signal()方法的代码，都必须在lock.lock()和lock.unlock之间。
2.  Conditon中的await()对应Object的wait()，Condition中的signal()对应Object的notify()，Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

### ReentrantLock与synchronized（内部锁）性能比较 ###

在资源竞争不激烈的情形下，ReentrantLock性能稍微比synchronized差一点。但是当同步非常激烈的时候，synchronized的性能会下降好几十倍。而ReentrantLock不会有太大的性能波动。

在写同步的时候，优先考虑synchronized，毕竟synchronized更简单，总得来说性能被优化得还不错。ReentrantLock比较复杂，写得不好，还可能会给程序性能带来大问题。

### Lock与synchronized区别 ###

1.  Lock锁在抛异常时，不会自动释放锁，需要在finally里手动释放。synchronized会手动释放锁

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