小老弟用案列引出 ReentrantLock实现原理

r囧r小猫 2022-10-23 05:54 103阅读 0赞

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上一遍我们深入分析了 AQS 的设计与实现，了解到 AQS 是 JUC 包实现的基础支撑。[1.3万字，从5个方面说清楚AQS 队列同步器][1.3_5_AQS]

本文我们就来分析一个基于 AQS 实现的 JUC 组件，即 ReentrantLock。

ReentrantLock 译为可重入锁，我们在使用时总是将其与 synchronized 关键字进行对比，实际上 ReentrantLock 与 synchronized 关键字在使用上具备相同的语义，区别仅在于 ReentrantLock 相对于 synchronized 关键字留给开发者的可操作性更强，所以在使用上更加灵活，当然凡事都有两面，灵活的背后也暗藏着更加容易出错的风险。

尽管语义相同，但 ReentrantLock 和 synchronized 关键字背后的实现机制却大相径庭。前面的文章中我们分析了 synchronized 关键字的实现内幕，知道了 synchronized 关键字背后依赖于 monitor 技术，而本文所要分析的 ReentrantLock 在实现上则依赖于 AQS 队列同步器，具体如何基于 AQS 进行实现，下面来一探究竟。

#### ReentrantLock 示例 ####

本小节使用 ReentrantLock 实现一个 3 线程交替打印的程序，演示基于 ReentrantLock 实现锁的获取、释放，以及线程之间的通知机制。示例实现如下：

private static Lock lock = new ReentrantLock(true);
    
    private static Condition ca = lock.newCondition();
    private static Condition cb = lock.newCondition();
    private static Condition cc = lock.newCondition();
    
    private static volatile int idx = 0;
    
    private static class A implements Runnable {
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    cb.signalAll();
                    System.out.println("a: " + (++idx));
                    ca.await();
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    
    private static class B implements Runnable {
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    cc.signalAll();
                    System.out.println("b: " + (++idx));
                    cb.await();
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    
    private static class C implements Runnable {
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    ca.signalAll();
                    System.out.println("c: " + (++idx));
                    cc.await();
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new A()).start();
        new Thread(new B()).start();
        new Thread(new C()).start();
    }

上述示例定义了 3 个线程类 A、B 和 C，并按照 A -> B -> C 的顺序进行组织，各个线程在调用 Lock\#lock 方法获取到锁之后会先尝试通知后继线程（将对应的线程移入到同步队列），然后对 idx 变量进行累加并打印，接着进入等待状态并释放资源，方法 Lock\#unlock 接下来会调度位于同步队列队头结点的线程继续执行。

### ReentrantLock 实现内幕 ###

#### Lock 接口 ####

ReentrantLock 实现了 Lock 接口，该接口抽象了锁应该具备的基本操作，包括锁资源的获取、释放，以及创建条件对象。除了本文介绍的 ReentrantLock 外，JUC 中直接或间接实现了 Lock 接口的组件还包括 ReentrantReadWriteLock 和 StampedLock，我们将在后面的文章中对这些组件逐一分析。Lock 接口的定义如下：

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

各方法释义如下：

*  lock()：获取锁资源，如果获取失败则阻塞。
 *  lockInterruptibly()：获取锁资源，如果获取失败则阻塞，阻塞期间支持响应中断请求。
 *  tryLock()：尝试获取锁资源，不管是否获取成功都立即返回，如果获取成功则返回 true，否则返回 false。
 *  tryLock(long time, TimeUnit unit)：尝试获取锁资源，相对于无参版本的 tryLock 方法引入了超时机制，并支持在等待期间响应中断请求。
 *  unlock()：释放锁资源。
 *  newCondition()：创建一个绑定到当前 Lock 上的条件对象。

#### 资源的获取与释放 ####

前面分析了 Lock 接口的定义，ReentrantLock 实现了该接口，并将接口方法的实现都委托给了 Sync 内部类处理。Sync 是一个抽象类，继承自 AbstractQueuedSynchronizer，并派生出 FairSync 和 NonfairSync 两个子类（继承关系如下图），由命名可以看出 FairSync 实现了公平锁，而 NonfairSync 则实现了非公平锁。

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ReentrantLock 提供了带 boolean 参数的构造方法，依据该参数来决定是创建公平锁还是非公平锁（默认为非公平锁），构造方法定义如下：

public ReentrantLock() {
        // 默认创建非公平锁
        sync = new NonfairSync();
    }
    
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        // 依据参数决定创建公平锁还是非公平锁
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

下面将区分公平锁和非公平锁分析 ReentrantLock 针对 Lock 接口方法的具体实现，在开始之前先介绍一下 AQS 中的 state 字段在 ReentrantLock 中的作用。

我们知道 ReentrantLock 是可重入的，这里的可重入是指当一个线程获取到 ReentrantLock 锁之后，如果该线程再次尝试获取该 ReentrantLock 锁时仍然可以获取成功，对应的重入次数加 1。ReentrantLock 的重入次数则由 AQS 的 state 字段进行记录。当 state 为 0 时，说明目标 ReentrantLock 锁当前未被任何线程持有，当一个线程释放 ReentrantLock 锁时，对应的 state 值需要减 1。

#### 非公平锁 ####

本小节我们来分析一下非公平锁 NonfairSync 的实现机制，首先来看一下 NonfairSync\#lock 方法，该方法用于获取资源，如果获取失败则会将当前线程加入到同步队列中阻塞等待。方法实现如下：

final void lock() \{ // 尝试获取锁，将 state 由 0 设置为 1 if (this.compareAndSetState(0, 1)) \{ // 首次获取锁成功，记录当前锁对象 this.setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); \} else \{ // 目标锁对象已经被占用，或者非首次获取目标锁对象 this.acquire(1); \} \} 方法 NonfairSync\#lock 加锁的过程首先会基于 CAS 操作尝试将 ReentrantLock 的 state 值由 0 改为 1，抢占锁资源，这也是非公平语义的根本所在。如果操作成功，则说明目标 ReentrantLock 锁当前未被任何线程持有，且本次加锁成功。如果操作失败则区分两种情况：

1.  目标 ReentrantLock 锁已被当前线程持有
2.  目标 ReentrantLock 锁已被其它线程持有

针对这两种情况，接下来会调用 AbstractQueuedSynchronizer\#acquire 方法尝试获取 1 个单位的资源，该方法由 AQS 实现，我们已经在前面的文章中分析过，其中会执行模板方法 AbstractQueuedSynchronizer\#tryAcquire。NonfairSync 针对该模板方法的实现如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return this.nonfairTryAcquire(acquires);
    }

上述方法将尝试获取资源的逻辑委托给 Sync\#nonfairTryAcquire 方法执行，ReentrantLock 的 ReentrantLock\#tryLock() 方法同样基于该方法实现。下面来分析一下该方法的执行逻辑，实现如下：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        // 获取当前线程对象
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取 state 值
        int c = this.getState();
        if (c == 0) {
            // state 为 0，表示目标锁当前未被持有，尝试获取锁
            if (this.compareAndSetState(0, acquires)) {
                this.setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果当前已经持有锁的线程已经是当前线程
        else if (current == this.getExclusiveOwnerThread()) {
            // 重入次数加 1
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) {
                // 重入次数溢出
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            }
            // 更新 state 记录的重入次数
            this.setState(nextc);
            return true;
        }
        // 已经持有锁的线程不是当前线程，尝试加锁失败
        return false;
    }

方法 Sync\#nonfairTryAcquire 的执行流程可以概括为;

1.  获取当前 ReentrantLock 锁的 state 值；
2.  如果 state 值为 0，说明当前 ReentrantLock 锁未被任何线程持有，基于 CAS 尝试将 state 值由 0 改为 1，抢占锁资源，修改成功即为加锁成功；
3.  否则，如果当前已经持有该 ReentrantLock 锁的线程是自己，则修改重入次数（即将 state 值加 1）；
4.  否则，目标 ReentrantLock 锁已经被其它线程持有，加锁失败。

如果 `Sync#nonfairTryAcquire` 方法返回 false，则说明当前线程尝试获取目标 ReentrantLock 锁失败，对于 ReentrantLock\#lock 方法而言，接下去线程会被加入到同步队列阻塞等待，而对于 `ReentrantLock#tryLock()` 方法而言，线程会立即退出，并返回 false。

方法 `ReentrantLock#newCondition` 同样是委托给 `Sync#newCondition` 方法处理，该方法只是简单的创建了一个 ConditionObject 对象，即新建了一个条件队列。非公平锁 NonfairSync 中的以下方法都是直接委托给 AQS 处理，这些方法的实现机制已在前面分析 AQS 时介绍过：

ReentrantLock\#lockInterruptibly：直接委托给 AbstractQueuedSynchronizer\#acquireInterruptibly 方法实现，获取的资源数为 1。ReentrantLock\#tryLock(long, java.util.concurrent.TimeUnit)：直接委托给 AbstractQueuedSynchronizer\#tryAcquireNanos 方法实现，获取的资源数为 1。

ReentrantLock\#unlock：直接委托给 AbstractQueuedSynchronizer\#release 方法实现，释放的资源数为 1。前面的文章，我们在分析 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer\#release 方法时，曾介绍过该方法会调用模板方法 AbstractQueuedSynchronizer\#tryRelease 以尝试释放资源。ReentrantLock 针对该模板方法的实现位于 Sync 抽象类中，所以它是一个由 NonfairSync 和 FairSync 共用的方法，下面来分析一下该方法的实现。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // 将当前 state 记录的重入次数减 1
        int c = this.getState() - releases;
        // 如果当前持有锁的线程对象不是当前线程则抛出异常
        if (Thread.currentThread() != this.getExclusiveOwnerThread()) {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
        boolean free = false;
        // 如果重入次数已经降为 0，则清空持有当前锁的线程对象
        if (c == 0) {
            free = true;
            this.setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        // 更新当前锁的重入次数
        this.setState(c);
        return free;
    }

尝试释放资源的过程本质上就是修改 state 字段值的过程，如果当前操作的线程是持有 ReentrantLock 锁的线程，则上述方法会将 state 值减 1，即将已重入次数减 1。如果修改后的 state 字段值为 0，则说明当前线程已经释放了持有的 ReentrantLock 锁，此时需要清除记录在 ReentrantLock 对象中的线程 Thread 对象。

#### 公平锁 ####

本小节我们来分析一下公平锁 FairSync 的实现机制，这里的公平本质上是指公平的获取锁资源，所以主要的区别体现在加锁的过程，即 ReentrantLock\#lock 方法。

前面我们在分析 NonfairSync 时看到，NonfairSync 在加锁时首先会基于 CAS 尝试将 state 值由 0 改为 1，失败的情况下才会继续调用 AbstractQueuedSynchronizer\#acquire 方法等待获取资源，并且在同步队列中等待期间仍然会在 state 为 0 时抢占获取锁资源。

FairSync 相对于 NonfairSync 的区别在于当 state 值为 0 时，即目标 ReentrantLock 锁此时未被任何线程持有的情况下，FairSync 并不会去抢占锁资源，而是检查同步队列中是否有排在前面等待获取锁资源的其它线程，如果有则让渡这些排在前面的线程优先获取锁资源。

下面来看一下 FairSync\#lock 方法的实现，该方法只是简单的将获取锁资源操作委托给 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer\#acquire 方法执行，所以我们需要重点关注一下模板方法 FairSync\#tryAcquire 的实现：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            // 获取当前线程对象
            final Thread current = Thread.currentThread();
            // 获取当前 state 值
            int c = this.getState();
            if (c == 0) {
                // state 为 0，表示目标锁当前未被持有，先检查是否有阻塞等待当前锁的线程，如果没有再尝试获取锁
                if (!this.hasQueuedPredecessors() && this.compareAndSetState(0, acquires)) {
                    this.setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            // 如果当前已经持有锁的线程已经是当前线程，则修改已重入次数加 1
            else if (current == this.getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) {
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                }
                this.setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

上述方法的执行流程与 NonfairSync 中的相关实现大同小异，主要区别在于当 state 值为 0 时，FairSync 会调用 AbstractQueuedSynchronizer\#hasQueuedPredecessors 检查当前同步队列中是否还有等待获取锁资源的其它线程，如果存在则优先让这些线程获取锁资源，并将自己加入到同步队列中排队等待。

### 总结 ###

本文我们通过一个 3 线程交替打印的程序演示了 ReentrantLock 的基本使用，并一起分析了 ReentrantLock 的实现机制。因为基于 AQS 实现，所以大部分的操作已经由 AQS 完成，ReentrantLock 只需要关注自身定制化逻辑即可，整体实现要简单了很多。

理解了 ReentrantLock 的实现机制，应该会对 AQS 的设计与实现有更进一步的认识。

最后留两个小思考题：

*  示例程序中一共用到了几个队列，线程在运行期间是如何出队列入队列的？
 *  参考 ReentrantLock 的设计，思考如何实现一个非重入锁 NonReentrantLock？

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