Java读源码之ReentrantLock

## 前言 ReentrantLock 可重入锁，应该是除了 synchronized 关键字外用的最多的线程同步手段了，虽然JVM维护者疯狂优化 synchronized 使其已经拥有了很好的性能。但 ReentrantLock 仍有其存在价值，例如可以感知线程中断，公平锁模式，可以指定超时时间的抢锁等更细粒度的控制都是目前的 synchronized 做不到的。 如果不是很了解 Java 中线程的一些基本概念，可以看之前这篇： [Java读源码之Thread](https://www.cnblogs.com/freshchen/p/11674575.html) ## 案例 用一个最简单的案例引出我们的主角 ```java public class ReentrantLockDemo { // 默认是非公平锁和 synchronized 一样 private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(); public void printThreadInfo(int num) { reentrantLock.lock(); try { System.out.println(num + " : " + Thread.currentThread().getName()); System.out.println(num + " : " + Thread.currentThread().toString()); } finally { reentrantLock.unlock(); } } public static void main(String[] args) { ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); IntStream.rangeClosed(0, 3) .forEach(num -> executorService .execute(() -> new ReentrantLockDemo().printThreadInfo(num)) ); } /** * 输出: * 0 : pool-1-thread-1 * 0 : Thread[pool-1-thread-1,5,main] * 3 : pool-1-thread-4 * 3 : Thread[pool-1-thread-4,5,main] * 1 : pool-1-thread-2 * 1 : Thread[pool-1-thread-2,5,main] * 2 : pool-1-thread-3 * 2 : Thread[pool-1-thread-3,5,main] */ ``` 可以看到使用起来也很简单，而且达到了同步的效果。废话不多说一起来瞅一瞅 lock() 和 unlock() 两个同步方法是怎么实现的。 ## 源码分析 ### 公平锁与非公平锁 公平锁顾名思义。就是每个线程排队抢占锁资源。而非公平锁线程什么时候能执行更多的看缘分，例如一个线程需要执行临界区代码，不管之前有多少线程在等，直接去抢锁，说白了就是插队。对于 ReentrantLock 的实现，从构造器看出，当我们传入 true 代表选择了公平锁模式 ```java public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); } ``` 为什么先看公平锁实现，而不是默认的非公平锁，因为 synchronized 就是非公平锁，1.7开始 synchronized 的实现改变了，并且基本借鉴了 ReentrantLock 的实现，加入了自旋，偏向锁减少系统调用，所以如果需要非公平锁且不需要特别精细的控制，完全没有必要因为性能选择 ReentrantLock 了。 ### AQS 结构 从案例中的 lock 方法进入 - **ReentrantLock.FairSync#lock** ```java final void lock() { // 要一把锁，向谁要锁？ acquire(1); } ``` 在继续深入之前让我们先熟悉一下 AbstractQueuedSynchronizer（AKA ：AQS） 的结构 - 首先继承了 AbstractOwnableSynchronizer ，主要属性： ```java // 保存当前持有锁的线程 private transient Thread exclusiveOwnerThread; ``` - AQS 自身主要属性： ```java // 阻塞队列的头 private transient volatile Node head; // 阻塞队列的尾 private transient volatile Node tail; // 同步器的状态 private volatile int state; ``` 从 head 和 tail 可以猜想到，AQS 应该是用一个链表作为等待队列，给等待的线程排队， status 字段默认是0，一旦锁被某个线程占有就 +1，那为啥要用int呢？ 如果当前持有锁的这个线程（exclusiveOwnerThread）还要再来把锁，那状态还可以继续 +1，也就实现了可重入。 - 上面的 Node 节点长啥样呢，不要被注释中 CLH 锁高大上的名称吓到，其实就是双向链表，主要属性： ```java // 标识次节点是共享模式 static final Node SHARED = new Node(); // 标识次节点是独占模式 static final Node EXCLUSIVE = null; // 节点里装着排队的线程 volatile Thread thread; // 节点里装的线程放弃了，不抢锁了，可能超时了，可能中断了 static final int CANCELLED = 1; // 下一个节点里的线程等待被通知出队 static final int SIGNAL = -1; // 节点里装的线程在等待执行条件，结合 Condition 使用 static final int CONDITION = -2; // 节点状态需要被传播到下一个节点，主要用在共享模式 static final int PROPAGATE = -3; // 标识节点的等待状态，初始0，取值是上面的 -3 ~ 1 volatile int waitStatus; // 前一个节点 volatile Node prev; // 后一个节点 volatile Node next; // 指向下一个等待条件 Condition Node nextWaiter; ``` 去掉一些普通情况不会涉及的属性，如果有四个线程竞争，结构如下图所示：  可以看到就是一个标准的头节点为空的双链表，为什么头节点是空？ ### 公平锁加锁 - **AbstractQueuedSynchronizer#acquire** ```java public final void acquire(int arg) { // 如果尝试拿锁没成功，那就进等待队列 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 检测到线程被中断了，因为重置了中断信号但没做处理，再设置下中断位，让用户去处理，中断标准操作 selfInterrupt(); } static void selfInterrupt() { Thread.currentThread().interrupt(); } ``` - **ReentrantLock.FairSync#tryAcquire** ```java protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); // 取AQS的 state 值 int c = getState(); // 当前没有线程持有锁 if (c == 0) { // 如果没有其他线程在排队（公平） if (!hasQueuedPredecessors() && // 这里可能存在竞争 CAS 试着去抢一次锁 compareAndSetState(0, acquires)) { // 抢到锁了，把锁持有者改成自己，其他线程往后稍稍 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 锁已经被持有了，但如果锁主人就是自己，那欢迎光临（可重入） else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 因为其他线程进不来，这里不存在竞争，直接改锁状态 setState(nextc); return true; } return false; } ``` - **AbstractQueuedSynchronizer#hasQueuedPredecessors** ```java // 返回 false 代表不需要排队，true 代表要排队 public final boolean hasQueuedPredecessors() { Node t = tail; Node h = head; Node s; // h == t 头等于尾只可能是刚初始的状态或者已经没有节点等待了 // h.next == null ？ 下面介绍进队的过程中，如果其他线程与此同时 tryAcquire 成功了，会把之前的head.next置为空，说明被捷足先登了，差一点可惜 // 如果到最后一个判断了，也就是队列中至少有一个等待节点，直接看第一个等待节点是不是自己，如果不是自己就乖乖排队去 return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); } ``` - **AbstractQueuedSynchronizer#addWaiter** tryAcquire如果没有拿到锁，就需要进等待队列了，变成一个 Node 实例 ```java // 这里 mode 为独占模式 private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; // 如果尾节点不为空，说明等待队列已经初始化过 if (pred != null) { node.prev = pred; // 尝试把自己放到队尾 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } // 进来这里说明，等待队列没有被初始化过，或者尝试失败了 enq(node); return node; } ``` - **AbstractQueuedSynchronizer#enq** ```java private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; // 如果尾节点是空，说明队列没有初始化 if (t == null) { // 初始化一个空节点（延迟加载），head ，tail都指向它 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } // 一直尝试把自己塞到队尾（自旋） else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } } ``` - **AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued** addWaiter方法已经把等待线程包装成节点放到等待队列了，为啥要返回中断标识呢？主要是为了给一些需要处理中断的方式复用，例如 **ReentrantLock#lockInterruptibly**，以及带超时的锁 ```java final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; // 这边逻辑开始绕起来了 for (;;) { // 拿前一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 前一个节点是head，说明自己排在第一个 if (p == head && // 在让出cpu前再试一次，此时可能锁持有者已经让位了 tryAcquire(arg)) { // 抢到锁了 setHead(node); // 把之前没用的头节点释放 p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 两次尝试都失败了，只能准备被挂起,让出cpu了（调了内核，重量级） if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { // 普通的锁不处理中断异常，不会进这个方法 if (failed) cancelAcquire(node); } } private void setHead(Node node) { // 把头节点设为自己 head = node; // 因为已经抢到锁了，不需要记录这个线程在等待了，保持了头节点中线程永远为 null node.thread = null; node.prev = null; } ``` - **AbstractQueuedSynchronizer#shouldParkAfterFailedAcquire** ```java private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) // 已经告诉前一个节点自己需要被通知了 return true; if (ws > 0) { // 只有 CANCELLED 这个状态大于0，如果前面的节点不排队了，就一直找到一个没 CANCELLED 的 do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } // 进到这里，只剩下PROPAGATE（共享锁时候才有） CONDITION（本文不涉及） 和 未赋值状态也就是0， else { // 这里把 默认状态0 置为 -1，也就代表着后面有线程在等着被唤醒了 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } // 返回false，就暂时不会让线程挂起，继续自旋，直到返回true return false; } ``` - **AbstractQueuedSynchronizer#parkAndCheckInterrupt** ```java private final boolean parkAndCheckInterrupt() { // 挂起，标准用法this充当blocker LockSupport.park(this); // 一旦恢复，返回线程在挂起阶段是否被中断，此方法会重置中断位 return Thread.interrupted(); } ``` 到这里加锁流程就介绍差不多了，用一个最简单流程的图来总结一下：  ### 公平锁解锁 - **AbstractQueuedSynchronizer#release** ```java public final boolean release(int arg) { // 尝试释放锁 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; // 如果等待队列已经被初始化过，并且后面有节点等待操作 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 恢复挂起的线程 unparkSuccessor(h); return true; } return false; } ``` - **ReentrantLock.FairSync#tryRelease** ```java protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; // 能执行释放锁的肯定是锁的持有者，除非虚拟机魔怔了 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 考虑可重入 if (c == 0) { free = true; // 锁现在没有持有者了 setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } ``` - **ReentrantLock.FairSync#unparkSuccessor** ```java // node 是头节点 private void unparkSuccessor(Node node) { int ws = node.waitStatus; // 如果状态不是 CANCELED，就把状态置为初始状态 if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s = node.next; // s == null 这个条件成立主要是在共享模式下自旋释放。 if (s == null || s.waitStatus > 0) { // 把 CANCELED 状态的节点置为空 s = null; // 因为 head 这条路已经断了，从尾巴开始找到第一个排队的节点，然后把队列接上 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) // 把第一个排队的节点中的线程唤醒， LockSupport.unpark(s.thread); } ``` 线程从加锁代码里介绍的 **AbstractQueuedSynchronizer#parkAndCheckInterrupt** 方法中醒来，继续自旋拿锁。如果此时后面还有人排队就一定能拿到锁了。如图所示：  ### 非公平锁加锁 - **ReentrantLock.NonfairSync#lock** ```java final void lock() { // 不管三七二十一，直接抢锁，如果运气好，锁正好被释放了，就不排队了 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else // 和上面介绍的公平锁一样，只是 tryAcquire 实现不一样 acquire(1); } ``` - **ReentrantLock.Sync#nonfairTryAcquire** 上面公平锁我们已经知道，线程真正挂起前会尝试两次，由于不考虑别人有没有入队，实现非常简单 ```java final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // 如果没有线程持有锁，直接抢锁 if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 如果是重入，状态累加 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } ``` ### 非公平锁解锁 因为都是独占锁模式，解锁和公平锁逻辑一样。 ## 总结 至此，总算看完了 ReentrantLock 常规的加锁解锁源码，好好体会下 AQS 的结构，还是能看懂的，且很有收获，总之 Doug Lea 大神牛B。 本文还是挖了很多坑的： - 带超时的锁是如何实现的？ - 检测中断的锁是如何实现的？ - 各种 Condition 是如何实现的？ - 锁的共享模式是如何实现的？ 以后有时间再一探究竟吧。