ReentrantLock 锁

ReentrantLock 锁
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初识 ReentrantLock

ReentrantLock 位于 java.util.concurrent.locks 包下，它实现了 Lock 接口和 Serializable 接口。

ReentrantLock 是一把可重入锁和互斥锁，它具有与 synchronized 关键字相同的含有隐式监视器锁（monitor）的基本行为和语义，但是它比 synchronized 具有更多的方法和功能。

ReentrantLock 基本方法

构造方法

ReentrantLock 类中带有两个构造函数，一个是默认的构造函数，不带任何参数；一个是带有 fair 参数的构造函数
```
public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
```
第二个构造函数也是判断 ReentrantLock 是否是公平锁的条件，如果 fair 为 true，则会创建一个公平锁的实现，也就是 new FairSync()，如果 fair 为 false，则会创建一个 非公平锁的实现，也就是 new NonfairSync()，默认的情况下创建的是非公平锁
```
// 创建的是公平锁
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

// 创建的是非公平锁
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);

// 默认创建非公平锁
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
```
FairSync 和 NonfairSync 都是 ReentrantLock 的内部类，继承于 Sync 类，下面来看一下它们的继承结构，便于梳理。
```
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {...}

static final class FairSync extends Sync {...}
  
static final class NonfairSync extends Sync {...}
```
在多线程尝试加锁时，如果是公平锁，那么锁获取的机会是相同的。否则，如果是非公平锁，那么 ReentrantLock 则不会保证每个锁的访问顺序。

下面是一个公平锁的实现
```
public class MyFairLock extends Thread{

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    public void fairLock(){
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()  + "正在持有锁");
        }finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()  + "释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyFairLock myFairLock = new MyFairLock();
        Runnable runnable = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "启动");
            myFairLock.fairLock();
        };
        Thread[] thread = new Thread[10];
        for(int i = 0;i < 10;i++){
            thread[i] = new Thread(runnable);
        }
        for(int i = 0;i < 10;i++){
            thread[i].start();
        }
    }
}
```
不信？不信你输出试试啊！懒得输出？就知道你懒得输出，所以直接告诉你结论吧，结论就是自己试。

试完了吗？试完了我是不会让你休息的，过来再试一下非公平锁的测试和结论，知道怎么试吗？上面不是讲过要给 ReentrantLock 传递一个参数的吗？你想，传 true 的时候是公平锁，那么反过来不就是非公平锁了？其他代码还用改吗？不需要了啊。

明白了吧，再来测试一下非公平锁的流程，看看是不是你想要的结果。

公平锁的加锁（lock）流程详解

通常情况下，使用多线程访问公平锁的效率会非常低（通常情况下会慢很多），但是 ReentrantLock 会保证每个线程都会公平的持有锁，线程饥饿的次数比较小。锁的公平性并不能保证线程调度的公平性。

此时如果你想了解更多的话，那么我就从源码的角度跟你聊聊如何 ReentrantLock 是如何实现这两种锁的。

如上图所示，公平锁的加锁流程要比非公平锁的加锁流程简单，下面要聊一下具体的流程了，请小伙伴们备好板凳。

下面先看一张流程图，这张图是 acquire 方法的三条主要流程

首先是第一条路线，tryAcquire 方法，顾名思义尝试获取，也就是说可以成功获取锁，也可以获取锁失败。

使用 ctrl+左键 点进去是调用 AQS 的方法，但是 ReentrantLock 实现了 AQS 接口，所以调用的是 ReentrantLock 的 tryAcquire 方法；

首先会取得当前线程，然后去读取当前锁的同步状态，还记得锁的四种状态吗？分别是 无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁，如果你不是很明白的话，请参考博主这篇文章（不懂什么是锁？看看这篇你就明白了），如果判断同步状态是 0 的话，就证明是无锁的，参考下面这幅图( 1bit 表示的是是否偏向锁 )

如果是无锁（也就是没有加锁），说明是第一次上锁，首先会先判断一下队列中是否有比当前线程等待时间更长的线程（hasQueuedPredecessors）；然后通过 CAS 方法原子性的更新锁的状态，CAS 方法更新的要求涉及三个变量，currentValue(当前线程的值)，expectedValue(期望更新的值)，updateValue(更新的值)，它们的更新如下
```
if(currentValue == expectedValue){
  currentValue = updateValue
}
```
CAS 通过 C 底层机制保证原子性，这个你不需要考虑它。如果既没有排队的线程而且使用 CAS 方法成功的把 0 -> 1 （偏向锁），那么当前线程就会获得偏向锁，记录获取锁的线程为当前线程。

然后我们看 else if 逻辑，如果读取的同步状态是1，说明已经线程获取到了锁，那么就先判断当前线程是不是获取锁的线程，如果是的话，记录一下获取锁的次数 + 1，也就是说，只有同步状态为 0 的时候是无锁状态。如果当前线程不是获取锁的线程，直接返回 false。

acquire 方法会先查看同步状态是否获取成功，如果成功则方法结束返回，也就是 !tryAcquire == false ，若失败则先调用 addWaiter 方法再调用 acquireQueued 方法

然后看一下第二条路线 addWaiter

这里首先把当前线程和 Node 的节点类型进行封装，Node 节点的类型有两种，EXCLUSIVE和 SHARED ，前者为独占模式，后者为共享模式，具体的区别我们会在 AQS 源码讨论，这里读者只需要知道即可。

首先会进行 tail 节点的判断，有没有尾节点，其实没有头节点也就相当于没有尾节点，如果有尾节点，就会原子性的将当前节点插入同步队列中，再执行 enq 入队操作，入队操作相当于原子性的把节点插入队列中。

如果当前同步队列尾节点为null，说明当前线程是第一个加入同步队列进行等待的线程。

在看第三条路线 acquireQueued

主要会有两个分支判断，首先会进行无限循环中，循环中每次都会判断给定当前节点的先驱节点，如果没有先驱节点会直接抛出空指针异常，直到返回 true。

然后判断给定节点的先驱节点是不是头节点，并且当前节点能否获取独占式锁，如果是头节点并且成功获取独占锁后，队列头指针用指向当前节点，然后释放前驱节点。如果没有获取到独占锁，就会进入 shouldParkAfterFailedAcquire 和 parkAndCheckInterrupt 方法中，我们贴出这两个方法的源码

shouldParkAfterFailedAcquire 方法主要逻辑是使用compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL)使用CAS将节点状态由 INITIAL 设置成 SIGNAL，表示当前线程阻塞。当 compareAndSetWaitStatus 设置失败则说明 shouldParkAfterFailedAcquire 方法返回 false，然后会在 acquireQueued 方法中死循环中会继续重试，直至compareAndSetWaitStatus 设置节点状态位为 SIGNAL 时 shouldParkAfterFailedAcquire 返回 true 时才会执行方法 parkAndCheckInterrupt 方法。（这块在后面研究 AQS 会细讲）

parkAndCheckInterrupt 该方法的关键是会调用 LookSupport.park 方法（关于LookSupport会在以后的文章进行讨论），该方法是用来阻塞当前线程。

所以 acquireQueued 主要做了两件事情：如果当前节点的前驱节点是头节点，并且能够获取独占锁，那么当前线程能够获得锁该方法执行结束退出

如果获取锁失败的话，先将节点状态设置成 SIGNAL，然后调用 LookSupport.park 方法使得当前线程阻塞。

如果 !tryAcquire 和 acquireQueued 都为 true 的话，则打断当前线程。

那么它们的主要流程如下（注：只是加锁流程，并不是 lock 所有流程）

非公平锁的加锁（lock）流程详解

非公平锁的加锁步骤和公平锁的步骤只有两处不同，一处是非公平锁在加锁前会直接使用 CAS 操作设置同步状态，如果设置成功，就会把当前线程设置为偏向锁的线程；一处是 CAS 操作失败执行 tryAcquire 方法，读取线程同步状态，如果未加锁会使用 CAS 再次进行加锁，不会等待 hasQueuedPredecessors 方法的执行，达到只要线程释放锁就会加锁的目的。下面通过源码和流程图来详细理解

这是非公平锁和公平锁不同的两处地方，下面是非公平锁的加锁流程图

lockInterruptibly 以可中断的方式获取锁

以下是 JavaDoc 官方解释：

lockInterruptibly 的中文意思为如果没有被打断，则获取锁。如果没有其他线程持有该锁，则获取该锁并立即返回，将锁保持计数设置为1。如果当前线程已经持有锁，那么此方法会立刻返回并且持有锁的数量会 + 1。如果锁是由另一个线程持有的，则出于线程调度目的，当前线程将被禁用，并处于休眠状态，直到发生以下两种情况之一
- 锁被当前线程持有
- 一些其他线程打断了当前线程
如果当前线程获取了锁，则锁保持计数将设置为1。

如果当前线程发生了如下情况：
- 在进入此方法时设置了其中断状态
- 当获取锁的时候发生了中断（Thread.interrupt）
那么当前线程就会抛出InterruptedException 并且当前线程的中断状态会清除。

下面看一下它的源码是怎么写的

首先会调用 acquireInterruptibly 这个方法，判断当前线程是否被中断，如果中断抛出异常，没有中断则判断公平锁/非公平锁 是否已经获取锁，如果没有获取锁（tryAcquire 返回 false）则调用 doAcquireInterruptibly 方法，这个方法和 acquireQueued 方法没什么区别，就是线程在等待状态的过程中，如果线程被中断，线程会抛出异常。

下面是它的流程图

tryLock 尝试加锁

仅仅当其他线程没有获取这把锁的时候获取这把锁，tryLock 的源代码和非公平锁的加锁流程基本一致，它的源代码如下

tryLock 超时获取锁

ReentrantLock除了能以中断的方式去获取锁，还可以以超时等待的方式去获取锁，所谓超时等待就是线程如果在超时时间内没有获取到锁，那么就会返回false，而不是一直死循环获取。可以使用 tryLock 和 tryLock(timeout, unit)) 结合起来实现公平锁，像这样
```
if (lock.tryLock() || lock.tryLock(timeout, unit)) {...}
```
如果超过了指定时间，则返回值为 false。如果时间小于或者等于零，则该方法根本不会等待。

它的源码如下

首先需要了解一下 TimeUnit 工具类，TimeUnit 表示给定粒度单位的持续时间，并且提供了一些用于时分秒跨单位转换的方法，通过使用这些方法进行定时和延迟操作。

toNanos 用于把 long 型表示的时间转换成为纳秒，然后判断线程是否被打断，如果没有打断，则以公平锁/非公平锁 的方式获取锁，如果能够获取返回true，获取失败则调用doAcquireNanos方法使用超时等待的方式获取锁。在超时等待获取锁的过程中，如果等待时间大于应等待时间，或者应等待时间设置不合理的话，返回 false。

这里面以超时的方式获取锁也可以画一张流程图如下

unlock 解锁流程

unlock 和 lock 是一对情侣，它们分不开彼此，在调用 lock 后必须通过 unlock 进行解锁。如果当前线程持有锁，在调用 unlock 后，count 计数将减少。如果保持计数为0就会进行解锁。如果当前线程没有持有锁，在调用 unlock 会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。下面是它的源码

在有了上面阅读源码的经历后，相信你会很快明白这段代码的意思，锁的释放不会区分公平锁还是非公平锁，主要的判断逻辑就是 tryRelease 方法，getState 方法会取得同步锁的重入次数，如果是获取了偏向锁，那么可能会多次获取，state 的值会大于 1，这时候 c 的值 > 0 ，返回 false，解锁失败。如果 state = 1，那么 c = 0，再判断当前线程是否是独占锁的线程，释放独占锁，返回 true，当 head 指向的头结点不为 null，并且该节点的状态值不为0的话才会执行 unparkSuccessor 方法，再进行锁的获取。

ReentrantLock 其他方法

isHeldByCurrentThread & getHoldCount

在多线程同时访问时，ReentrantLock 由最后一次成功锁定的线程拥有，当这把锁没有被其他线程拥有时，线程调用 lock() 方法会立刻返回并成功获取锁。如果当前线程已经拥有锁，这个方法会立刻返回。可以通过 isHeldByCurrentThread 和 getHoldCount 来进行检查。

首先来看 isHeldByCurrentThread 方法
```
public boolean isHeldByCurrentThread() {
  return sync.isHeldExclusively();
}
```
根据方法名可以略知一二，是否被当前线程持有，它用来询问锁是否被其他线程拥有，这个方法和 Thread.holdsLock(Object) 方法内置的监视器锁相同，而 Thread.holdsLock(Object) 是 Thread 类的静态方法，是一个 native 类，它表示的意思是如果当前线程在某个对象上持有 monitor lock(监视器锁) 就会返回 true。这个类没有实际作用，仅仅用来测试和调试所用。例如
```
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void lock(){
  assert lock.isHeldByCurrentThread();
}
```
这个方法也可以确保重入锁能够表现出不可重入的行为
```
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void lock(){
  assert !lock.isHeldByCurrentThread();
  lock.lock();
  try {
    // 执行业务代码
  }finally {
    lock.unlock();
  }
}
```
如果当前线程持有锁则 lock.isHeldByCurrentThread() 返回 true，否则返回 false。

我们在了解它的用法后，看一下它内部是怎样实现的，它内部只是调用了一下 sync.isHeldExclusively()，sync 是 ReentrantLock 的一个静态内部类，基于 AQS 实现，而 AQS 它是一种抽象队列同步器，是许多并发实现类的基础，例如 ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch。sync.isHeldExclusively() 方法如下
```
protected final boolean isHeldExclusively() {
  return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
```
此方法会在拥有锁之前先去读一下状态，如果当前线程是锁的拥有者，则不需要检查。

getHoldCount()方法和isHeldByCurrentThread 都是用来检查线程是否持有锁的方法，不同之处在于 getHoldCount() 用来查询当前线程持有锁的数量，对于每个未通过解锁操作匹配的锁定操作，线程都会保持锁定状态，这个方法也通常用于调试和测试，例如
```
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void lock(){
  assert lock.getHoldCount() == 0;
  lock.lock();
  try {
    // 执行业务代码
  }finally {
    lock.unlock();
  }
}
```
这个方法会返回当前线程持有锁的次数，如果当前线程没有持有锁，则返回0。

newCondition 创建 ConditionObject 对象

ReentrantLock 可以通过 newCondition 方法创建 ConditionObject 对象，而 ConditionObject 实现了 Condition 接口，关于 Condition 的用法我们后面再讲。

isLocked 判断是否锁定

查询是否有任意线程已经获取锁，这个方法用来监视系统状态，而不是用来同步控制，很简单，直接判断 state 是否等于0。

isFair 判断是否是公平锁的实例

这个方法也比较简单，直接使用 instanceof 判断是不是 FairSync 内部类的实例
```
public final boolean isFair() {
  return sync instanceof FairSync;
}
```
getOwner 判断锁拥有者

判断同步状态是否为0，如果是0，则没有线程拥有锁，如果不是0，直接返回获取锁的线程。
```
final Thread getOwner() {
  return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}
```
hasQueuedThreads 是否有等待线程

判断是否有线程正在等待获取锁，如果头节点与尾节点不相等，说明有等待获取锁的线程。
```
public final boolean hasQueuedThreads() {
  return head != tail;
}
```
isQueued 判断线程是否排队

判断给定的线程是否正在排队，如果正在排队，返回 true。这个方法会遍历队列，如果找到匹配的线程，返回true
```
public final boolean isQueued(Thread thread) {
  if (thread == null)
    throw new NullPointerException();
  for (Node p = tail; p != null; p = p.prev)
    if (p.thread == thread)
      return true;
  return false;
}
```
getQueueLength 获取队列长度

此方法会返回一个队列长度的估计值，该值只是一个估计值，因为在此方法遍历内部数据结构时，线程数可能会动态变化。此方法设计用于监视系统状态，而不用于同步控制。
```
public final int getQueueLength() {
  int n = 0;
  for (Node p = tail; p != null; p = p.prev) {
    if (p.thread != null)
      ++n;
  }
  return n;
}
```
getQueuedThreads 获取排队线程

返回一个包含可能正在等待获取此锁的线程的集合。因为实际的线程集在构造此结果时可能会动态更改，所以返回的集合只是一个大概的列表集合。返回的集合的元素没有特定的顺序。
```
public final Collection<Thread> getQueuedThreads() {
  ArrayList<Thread> list = new ArrayList<Thread>();
  for (Node p = tail; p != null; p = p.prev) {
    Thread t = p.thread;
    if (t != null)
      list.add(t);
  }
  return list;
}
```
回答上面那个问题

那么你看完源码分析后，你能总结出 synchronized 和 lock 锁的实现 ReentrantLock 有什么异同吗？

Synchronzied 和 Lock 的主要区别如下：
- 存在层面：Syncronized 是Java 中的一个关键字，存在于 JVM 层面，Lock 是 Java 中的一个接口
- 锁的释放条件：1. 获取锁的线程执行完同步代码后，自动释放；2. 线程发生异常时，JVM会让线程释放锁；Lock 必须在 finally 关键字中释放锁，不然容易造成线程死锁
- 锁的获取: 在 Syncronized 中，假设线程 A 获得锁，B 线程等待。如果 A 发生阻塞，那么 B 会一直等待。在 Lock 中，会分情况而定，Lock 中有尝试获取锁的方法，如果尝试获取到锁，则不用一直等待
- 锁的状态：Synchronized 无法判断锁的状态，Lock 则可以判断
- 锁的类型：Synchronized 是可重入，不可中断，非公平锁；Lock 锁则是可重入，可判断，可公平锁
- 锁的性能：Synchronized 适用于少量同步的情况下，性能开销比较大。Lock 锁适用于大量同步阶段：
  
  Lock 锁可以提高多个线程进行读的效率(使用 readWriteLock)
- 在竞争不是很激烈的情况下，Synchronized的性能要优于ReetrantLock，但是在资源竞争很激烈的情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能能维持常态；
- ReetrantLock 提供了多样化的同步，比如有时间限制的同步，可以被Interrupt的同步（synchronized的同步是不能Interrupt的）等
还有什么要说的吗

面试官可能还会问你 ReentrantLock 的加锁流程是怎样的，其实如果你能把源码给他讲出来的话，一定是高分。如果你记不住源码流程的话可以记住下面这个简化版的加锁流程
- 如果 lock 加锁设置成功，设置当前线程为独占锁的线程；
- 如果 lock 加锁设置失败，还会再尝试获取一次锁数量，
  
  如果锁数量为0，再基于 CAS 尝试将 state（锁数量）从0设置为1一次，如果设置成功，设置当前线程为独占锁的线程；
  
  如果锁数量不为0或者上边的尝试又失败了，查看当前线程是不是已经是独占锁的线程了，如果是，则将当前的锁数量+1；如果不是，则将该线程封装在一个Node内，并加入到等待队列中去。等待被其前一个线程节点唤醒。
文章参考：

【试验局】ReentrantLock中非公平锁与公平锁的性能测试

第五章 ReentrantLock源码解析1--获得非公平锁与公平锁lock()

https://juejin.im/post/5c95df97e51d4551d06d8e8e

【JUC】JDK1.8源码分析之ReentrantLock（三）

https://www.lagou.com/lgeduarticle/73019.html
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原文地址：https://www.cnblogs.com/jay-wu/p/12172621.html

文章地址：https://mp.weixin.qq.com/s/BiIXbrZKR0E0-M_yTgE5Ig

初识 ReentrantLock

ReentrantLock 基本方法

构造方法

公平锁的加锁（lock）流程详解

非公平锁的加锁（lock）流程详解

lockInterruptibly 以可中断的方式获取锁

tryLock 尝试加锁

unlock 解锁流程

ReentrantLock 其他方法

isHeldByCurrentThread & getHoldCount

newCondition 创建 ConditionObject 对象

isLocked 判断是否锁定

isFair 判断是否是公平锁的实例

getOwner 判断锁拥有者

hasQueuedThreads 是否有等待线程

isQueued 判断线程是否排队

getQueueLength 获取队列长度

getQueuedThreads 获取排队线程

回答上面那个问题

还有什么要说的吗