Java多线程之深入理解ReentrantLock

Java多线程之深入理解ReentrantLock

前言

保证线程安全的方式有很多，比如CAS操作、synchronized、原子类、volatile保证可见性和ReentrantLock等，这篇文章我们主要探讨ReentrantLock的相关内容。本文基于JDK1.8讲述ReentrantLock.

一、可重入锁

所谓可重入锁，即一个线程已经获得了某个锁，当这个线程要再次获取这个锁时，依然可以获取成功，不会发生死锁的情况。synchronized就是一个可重入锁，除此之外，JDK提供的ReentrantLock也是一种可重入锁。

二、ReentrantLock

2.1 ReentrantLock的简单使用

public class TestReentrantLock {

private static int i = 0;

public static void main(String[] args) {

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

try {

lock.lock();

i++;

} finally {

lock.unlock();

}

System.out.println(i);

}

}

上面是ReentrantLock的一个简单使用案列，进入同步代码块之前，需要调用lock()方法进行加锁，执行完同步代码块之后，为了防止异常发生时造成死锁，需要在finally块中调用unlock()方法进行解锁。

2.2 ReentrantLock UML图

2.3 lock()方法调用链

上图描述了ReentrantLock.lock()加锁的方法调用过程。在ReentrantLock中有一个成员变量private final Sync sync，Sync是AQS的一个子类。ReentrantLock的lock()方法中，调用了sync的lock()方法，这个方法为抽象方法，具体调用的是NonfairSync中实现的lock()方法：

/**

* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal

* acquire on failure.

*/

final void lock() {

if (compareAndSetState(0, 1))

setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());

else

acquire(1);

}

在这个方法中，先尝试通过CAS操作进行加锁。如果加锁失败，会调用AQS的acquire()方法：

/**

* Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented

* by invoking at least once {@link #tryAcquire},

* returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly

* repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link

* #tryAcquire} until success. This method can be used

* to implement method {@link Lock#lock}.

*

* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to

* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and

* can represent anything you like.

*/

public final void acquire(int arg) {

if (!tryAcquire(arg) &&

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

http:// selfInterrupt();

}

在AQS的acquire方法中，先尝试调用tryAcquire方法进行加锁，如果失败，会调用acquireQueued进入等待队列当中。acquireQueued方法将会在第三章中讲解，先来看tryAcquire方法的内容。AQS的tryAcquire方法是一个模板方法，其具体实现在NonfairSync的tryAcquire方法中，里面仅仅是调用了nonfairTryAcquire方法：

/**

* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in

* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.

*/

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()) {

int nextc = c + acquires;

if (nextc < 0) // overflow

throw new Error("Maximum lock count exceeded");

setState(nextc);

return true;

}

return false;

}

在这个方法中，先获取state判断其是否为0。如果为0表示没有其他线程占用锁，会尝试通过CAS操作将state设为1进行加锁；如果state不为0，表示某个线程已经占用了锁，判断占用锁的线程是否为当前线程，如果是，则将state进行加1的操作，这就是ReentrantLock可重入的实现原理。

三、AQS

AQS即AbstractQueuedSynchronizer。AQS提供了一个基于FIFO队列，可以用于构建锁或者其他相关同步装置的基础框架。AQS其实是CLH(Craig，Landin，Hagersten)锁的一个变种，下面来讲解AQS的核心思想及其具体实现。

3.1 state

/**

* The synchronization state.

*/

private volatile int state;

state是AQS中最核心的成员变量。这是一个volatile变量，当其为0时，表示没有任何线程占用锁。线程通过CAS将state从0置为1进行加锁，当线程持有锁的情况下，再次进行加锁，会将state加1，即重入。

3.2 exclusiveOwnerThread

/**

* The current owner of exclusive mode synchronization.

*/

private transient Thread exclusiveOwnerThread;

exclusiveOwnerThread是AQS的父类AbstractOwnableSynchronizer中的成员变量，其作用是实现可重入机制时，用于判断持有锁的线程是否为当前线程。

3.3 AQS等待队列

除了以上state和exclusiveOwnerThread两个重要的成员变量以外，AQS还维护了一个等待队列。当线程尝试加锁失败时，会进入这个等待队列中，这也是整个AQS中最核心的内容。这个等待队列是一个双向链表，其节点Node对等待加锁的线程进行封装。

/**

* Creates and enqueues node for current thread and given mode.

*

* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared

* @return the new node

*/

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;

// 通过CAS操作将自身追加到链表尾部

if (compareAndSetTail(pred, node)) {

pred.next = node;

return node;

}

}

enq(node);

return node;

}

当线程尝试加锁失败时，通过CAS操作将自身追加到链表尾部。入队之后，会调用acquireQueued在队列中尝试加锁：

/**

* Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in

* queue. Used by condition wait methods as well as acquire.

*

* @param node the node

* @param arg the acquire argument

* @return {@code true} if interrupted while waiting

*/

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);

}

}

在这个方法中，会判断其前置节点是否为头节点，如果是，则尝试进行加锁。如果加锁失败，则调用LockSupport.park方法进入阻塞状态，等待其前置节点释放锁之后将其唤醒。

3.4 AQS中的模板方法设计模式

AQS完美地运用了模板方法设计模式，其中定义了一系列的模板方法。比如以下方法：

// 互斥模式下使用：尝试获取锁

protected boolean tryAcquire(int arg) {

throw new UnsupportedOperationException();

}

// 互斥模式下使用：尝试释放锁

protected boolean tryRelease(int arg) {

throw new UnsupportedOperationException();

}

// 共享模式下使用：尝试获取锁

protected int tryAcquireShared(int arg) {

throw new UnsupportedOperationException();

}

// 共享模式下使用：尝试释放锁

protected boolean tryReleaseShared(int arg) {

throw new UnsupportedOperationException();

}

这些方法在AQS中只抛出了UnsupportedOperationException异常，所以需要子类去实现它们。之所以没有将这些方法设计成为抽象方法，是因为AQS的子类可能只需要实现其中的某些方法即可实现其功能。

总结

不同版本的JDK，AQS的实现可能会有细微的差异，但其核心思想是不会变的，即线程加锁失败后，通过CAS进行入队的操作，并通过CAS的方法设置state来获得锁。

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