ReentrantLock源码探究

ReentrantLock
是一种可重入,可重入是说同一个线程可以多次获取同一个锁,内部会有相应的字段记录重入次数,它同时也是一把互斥锁,意味着同时只有一个线程能获取到可重入锁。

1.构造函数

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

ReentrantLock
提供了两个构造函数,构造函数只是用来初始化 sync
字段,可以看到,默认情况下 ReentrantLock
使用的是非公平锁,当然,也可以使用带有布尔参数的构造函数来选择使用公平锁。公平锁和非公平锁的实现依赖于两个内部类: FairSync
NonfairSync
,接下来认识一下这两个类:

//非公平锁
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * 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);
        }

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

    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;
        }
    }

这两个内部类的代码都很短,并且都继承了另一个内部类 Sync
。这里先不急着介绍 Sync
类,因为这个类本身也并不复杂,后续在需要用到其中的方法时顺带讲解,目前只需要知道这个类继承了 AbstractQueuedSynchronizer(AQS)
即可。

2.常用方法

  • lock()
public void lock() {
        sync.lock();
    }

lock
方法提供了加锁的功能,公平锁和非公平锁的加锁操作是不一样的,先来看看非公平锁的细节,接着再讲解公平锁。

  • 非公平锁加锁逻辑
final void lock() {
        //使用CAS操作,尝试将state字段从0修改为1,如果成功修改该字段,则表示获取了互斥锁
        //如果获取互斥锁失败,转入acquier()方法逻辑
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
    
    //设置获得了互斥锁的线程
    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

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

对于非公平锁来讲,使用 lock()
方法一上来就尝试获取互斥锁,获取成功就将 exclusiveOwnerThread
指向自己,代表当前是自己持有锁,否则就执行 acquire()
方法的逻辑,下面对 acquire()
方法的逻辑进行逐个分析。

首先是 tryAcquire()
方法,非公平锁重写了该方法,并在内部调用 Sync
类的 nonfairTryAcquire()

//从上面的逻辑来看,这里的acquires=1
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }

    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        //c==0,说明当前处于未加锁状态,锁没有被其他线程获取
        if (c == 0) {
            //在锁没有被其他线程占有的情况下,非公平锁再次尝试获取锁,获取成功则将exclusiveOwnerThread指向自己
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        //执行到这里说明锁已经被占有,如果是被自己占有,将state字段加1,记录重入次数
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            //当nextc达到int类型最大值时会溢出,因此可重入次数的最大值就是int类型的最大值
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        //执行到这里说明:1)锁未被占有的情况下,抢锁失败,说明当前有其他线程抢到了锁;2)锁已经被其他线程占有
        //即只要当前线程没有获取到锁,就返回false
        return false;
    }
    
    //获取state字段,该字段定义在AQS中
    protected final int getState() {
        return state;
    }
    //设置state字段
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

当前线程没有在 tryAcquire()
方法中获取到锁时,会先执行 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
方法,其中参数 Node.EXCLUSIVE
是一个常量,其定义是 static final Node EXCLUSIVE = null
,作用是标记锁的属性是互斥锁。 addWaiter()
方法的作用是将当前线程包装成一个 Node
节点,放入等待队列的队尾,该方法在介绍 CountDownLatch
类时详细讲解过,有兴趣的朋友可以参考 ConcurrentHashMap源码探究(JDK 1.8)
,本文不再赘述。

将当前线程加入等待队列之后,会接着执行 acquireQueued()
方法,其源码如下:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            //自旋
            for (;;) {
                //获取当前节点的前一个节点
                final Node p = node.predecessor();
                //如果前一个节点是头节点,说明当前节点排在队首,非公平锁会则再次通过tryAcquire方法获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    //将自己设置为头节点
                    setHead(node);
                    //前一个头结点没用了,会被垃圾回收掉
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    //正常结束,返回false,注意该字段可能会在下面的条件语句中被改变
                    return interrupted;
                }
                //如果前一个节点不是头节点,或者当前线程获取锁失败,会执行到这里
                //shouldParkAfterFailedAcquire()方法只有在p的状态是SIGNAL时才返回false,此时parkAndCheckInterrupt()方法才有机会执行
                //注意外层的自旋,for循环体会一直重试,因此只要执行到这里,总会有机会将p设置成SIGNAL状态从而将当前线程挂起
                //另外,如果parkAndCheckInterrupt()返回true,说明当前线程设置了中断状态,会将interrupted设置为true,代码接着自旋,会在上一个条件语句中返回true
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            //如果在自旋中线程被中断或者发送异常,failed字段的值将会为true,这里会处理这种情况,放弃让当前线程获取锁,并抛出中断异常
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    //方法逻辑是:只有在前置节点的状态是SIGNAL时才返回true,其他情况都返回false
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        //删除当前节点之前连续状态是CANCELLED的节点
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
    //线程在这里阻塞,并在被唤醒后检查中断状态
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
    
    //
    private void cancelAcquire(Node node) {
        // Ignore if node doesn't exist
        if (node == null)
            return;

        node.thread = null;

        // Skip cancelled predecessors
        Node pred = node.prev;
        while (pred.waitStatus > 0)
            node.prev = pred = pred.prev;

        Node predNext = pred.next;

        node.waitStatus = Node.CANCELLED;

        // If we are the tail, remove ourselves.
        if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
            compareAndSetNext(pred, predNext, null);
        } else {
            // If successor needs signal, try to set pred's next-link
            // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
            int ws;
            if (pred != head &&
                ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
                 (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
                pred.thread != null) {
                Node next = node.next;
                if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                    compareAndSetNext(pred, predNext, next);
            } else {
                //唤醒后一个节点
                unparkSuccessor(node);
            }

            node.next = node; // help GC
        }
    }

注意 acquireQueued()
要么会抛出中断异常,要么正常结束返回 false
,只有在线程被唤醒后设置了中断状态才会返回 true
。对比可以发现, acquireQueued()
方法的逻辑与 CountDownLatch
中的 doAcquireSharedInterruptibly()
十分类似,许多方法在 CountDownLatch
这篇博客中讲到过,本文不再对这些方法进行赘述。

介绍完了 acquire()
方法,回过头来看看方法逻辑:

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

如果在 tryAcquire()
方法中没有获取锁,那么将当前线程加入到等待队列队尾,查看节点的前一个节点是否是头结点,是的话当前线程可以继续向下执行,否则就会阻塞挂起。当 acquireQueued
返回true时,说明线程设置了中断状态,就调用 selfInterrupt()
中断该线程,其他情况 selfInterrupt()
方法没机会执行。

到这里非公平锁的加锁流程已经介绍完了,由于代码逻辑比较长,且看源码的过程中会在好几个类中来回切换,思路很容易断,阅读代码的时候要注意。(有必要补个流程图)。

  • 公平锁加锁逻辑

    接下来看看公平锁的加锁逻辑:

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

与非公平锁相比,公平锁没有一上来就抢锁的逻辑,这也是公平性的体现。两种锁的 acquire()
方法的框架相同,但是实现细节不同,来看看公平锁的 tryAcquire()
方法:

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        //c=0表示当前没有其他线程持有锁
        if (c == 0) {
            //下面的代码与非公平锁相比,多了hasQueuedPredecessors()方法的处理逻辑,公平锁只有在前面没有其他线程排队的情况下才会尝试获取锁
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        //如果当前线程已经占有公平锁,则记录重入次数
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        //只要当前线程没有获取到锁,就返回false
        return false;
    }

    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        //h != t表示等待队列中有其他节点
        //h.next == null可能会有点费解,按理说h!=t之后,h后面肯定会有节点才对,这种情况其实已经见过,在上文介绍acquireQueued()方法时说过,
        //被唤醒的第一个等待节点会将自己设置为头结点,如果这个节点是队列中的唯一节点的话,它的下一个节点就是null
        //至于s.thread != Thread.currentThread()这个条件暂时可以忽略,因为公平锁执行到hasQueuedPredecessors方法时根本还没有入队,
        //这也意味着,只要队列中有其他节点在等候,公平锁就要求其他线程排队等待
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }
  • lockInterruptibly


    从名字可以看出, lockInterruptibly
    可以响应中断,来看看该方法的实现:
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //先尝试获取锁,获取失败才执行后面的逻辑
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

    private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

lockInterruptibly()
方法几乎与 acquire()
方法完全一样,唯一的区别是 acquire()
方法中, parkAndCheckInterrupt
因为线程设置了中断状态而返回 true
时,只是简单设置了一下 interrupted
字段的值,而 lockInterruptibly()
则是直接抛出异常。

  • unlock
    方法

    介绍完加锁的逻辑,接下来看看解锁的逻辑:

public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    public final boolean release(int arg) {
        //如果成功释放了锁,则执行下面的代码块
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            //如果头节点不为null,请求节点状态不是初始状态,就释放头结点后第一个有效节点
            //问题:这里为什么需要判断头结点的状态呢???
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    //
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        //线程没有持有锁的情况下,不允许释放锁,否则会抛异常
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        //可重入性的判断,如果释放了一次锁,使得c=0,就指针释放锁,做法是将记录锁的字段exclusiveOwnerThread重新指向null
        //注意,只有最后一次释放可重入锁,才会返回true
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

    //唤醒node节点的下一个有效节点,这里的有效指的是状态不是CANCELLED状态的节点
    private void unparkSuccessor(Node node) {

        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
  • newCondition()


    ReentrantLock
    可以实现绑定多个等待条件,这个功能是在 newCondition()
    方法中实现的,每次调用 newCondition()
    方法时,都会产生一个新的 ConditionObject
    对象,这是 AQS
    中的一个内部类,代码很长,这里就不详细讨论了。来简单看看该方法的源码:
public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
    final ConditionObject newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }

3.总结

多线程环境中, ReentrantLock
的非公平锁要比公平锁拥有更高的性能,因为非公平锁避免了线程挂起产生的上下文切换的开销,但是公平锁能够避免线程饥饿问题,因此各有各的使用场景。从源码来看, J.U.C
包下的很多类都依赖 AQS
类,因此非常有必要搞懂 AQS
。提到 ReentrantLock
,总免不了与 synchronized
进行对比。 synchronized
也是可重入的,并且在 JDK 1.6
以后, synchronized
的性能已经得到了很大的提升,因此选择使用 ReentrantLock
一般是考虑使用它的三个优势:可中断、可实现公平锁、可绑定多个条件,这些优势是 synchronized
不具备的。

原文 

http://www.cnblogs.com/NaLanZiYi-LinEr/p/12508195.html

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