ReentrantLock学习笔记

参考：https://www.jianshu.com/p/4358b1466ec9

前言：

先来想象一个场景：手把手的进行锁获取和释放，先获得锁A，然后再获取锁B，当获取锁B后释放锁A同时获取锁C，当锁C获取后，再释放锁B同时获取锁D，以此类推，这种场景下，synchronized关键字就不那么容易实现了，而使用Lock却显得容易许多。

源码：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

        /**
         * Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
         * is to allow fast path for nonfair version.
         */
        abstract void lock();

        /**
         * 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;
        }

        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;
        }

    }
    //默认非公平锁
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    //fair为false时，采用公平锁策略
    public ReentrantLock(boolean fair) {    
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
    public void lock() {
        sync.lock();
    }
    public void unlock() {    sync.release(1);}
    public Condition newCondition() {    
        return sync.newCondition();
    }
    ...
}

使用方式：

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
lock.lock();
try {
  while(条件判断表达式) {
      condition.wait();
  }
 // 处理逻辑
} finally {
    lock.unlock();//保证锁在最后能够释放 注意！！！！一定要释放
}

 非公平锁：

当线程获取锁失败的时候，同样可以自旋获取锁，超过自旋次数才会进入队列尾部

• 线程A和B同时执行CAS指令，假设线程A成功，线程B失败，则表明线程A成功获取锁，并把同步器中的exclusiveOwnerThread设置为线程A。
• 竞争失败的线程B，在nonfairTryAcquire方法中，会再次尝试获取锁，Doug lea会在多处尝试重新获取锁，应该是在这段时间如果线程A释放锁，线程B就可以直接获取锁而不用挂起。

static final class NonfairSync extends Sync {
    /**
     * 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);
    }

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

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

公平锁：

在公平锁中，每当线程执行lock方法时，如果同步器的队列中有线程在等待，则直接加入到队列尾部。

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

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

    /**
     * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
     * recursive call or no waiters or is first.
     */
    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;
    }
}

重入锁：

可重入锁指的是在一个线程中可以多次获取同一把锁，比如：
一个线程在执行一个带锁的方法，该方法中又调用了另一个需要相同锁的方法，则该线程可以直接执行调用的方法，而无需重新获得锁；

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

条件变量：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;
    public final void signal() {}
    public final void signalAll() {}
    public final void awaitUninterruptibly() {}  
    public final void await() throws InterruptedException {}
}

• Synchronized中，所有的线程都在同一个object的条件队列上等待。而ReentrantLock中，每个condition都维护了一个条件队列。
• 每一个Lock可以有任意数据的Condition对象，Condition是与Lock绑定的，所以就有Lock的公平性特性：如果是公平锁，线程为按照FIFO的顺序从Condition.await中释放，如果是非公平锁，那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。
• Condition接口定义的方法，await对应于Object.wait，signal对应于Object.notify，signalAll对应于Object.notifyAll。特别说明的是Condition的接口改变名称就是为了避免与Object中的wait/notify/notifyAll的语义和使用上混淆。

 await实现逻辑：

1. 将线程A加入到条件等待队列中，如果最后一个节点是取消状态，则从对列中删除。
2. 线程A释放锁，实质上是线程A修改AQS的状态state为0，并唤醒AQS等待队列中的线程B，线程B被唤醒后，尝试获取锁，接下去的过程就不重复说明了。
3. 线程A释放锁并唤醒线程B之后，如果线程A不在AQS的同步队列中，线程A将通过LockSupport.park进行挂起操作。
4. 随后，线程A等待被唤醒，当线程A被唤醒时，会通过acquireQueued方法竞争锁，如果失败，继续挂起。如果成功，线程A从await位置恢复。

signal实现逻辑：

1. 接着上述场景，线程B执行了signal方法，取出条件队列中的第一个非CANCELLED节点线程，即线程A。另外，signalAll就是唤醒条件队列中所有非CANCELLED节点线程。遇到CANCELLED线程就需要将其从队列中删除。
2. 通过CAS修改线程A的waitStatus为0，表示该节点已经不是等待条件状态，并将线程A插入到AQS的等待队列中。
3. 唤醒线程A，线程A和别的线程进行锁的竞争。