深入理解 JUC：ReentrantLock

发表于2018-08-29字数统计3.1k阅读时长13分

上一遍我们深入分析了 AQS 的设计与实现，了解到 AQS 是 JUC 包实现的基础支撑，本文我们就来分析一个基于 AQS 实现的 JUC 组件，即 ReentrantLock。

ReentrantLock 译为可重入锁，我们在使用时总是将其与 synchronized 关键字进行对比，实际上 ReentrantLock 与 synchronized 关键字在使用上具备相同的语义，区别仅在于 ReentrantLock 相对于 synchronized 关键字留给开发者的可操作性更强，所以在使用上更加灵活，当然凡事都有两面，灵活的背后也暗藏着更加容易出错的风险。

尽管语义相同，但 ReentrantLock 和 synchronized 关键字背后的实现机制却大相径庭。前面的文章中我们分析了 synchronized 关键字的实现内幕，知道了 synchronized 关键字背后依赖于 monitor 技术，而本文所要分析的 ReentrantLock 在实现上则依赖于 AQS 队列同步器，具体如何基于 AQS 进行实现，下面来一探究竟。

ReentrantLock 示例

本小节使用 ReentrantLock 实现一个 3 线程交替打印的程序，演示基于 ReentrantLock 实现锁的获取、释放，以及线程之间的通知机制。示例实现如下：

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private static Lock lock = new ReentrantLock(true);

private static Condition ca = lock.newCondition();
private static Condition cb = lock.newCondition();
private static Condition cc = lock.newCondition();

private static volatile int idx = 0;

private static class A implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                cb.signalAll();
                System.out.println("a: " + (++idx));
                ca.await();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

private static class B implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                cc.signalAll();
                System.out.println("b: " + (++idx));
                cb.await();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

private static class C implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                ca.signalAll();
                System.out.println("c: " + (++idx));
                cc.await();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    new Thread(new A()).start();
    new Thread(new B()).start();
    new Thread(new C()).start();
}

上述示例定义了 3 个线程类 A、B 和 C，并按照 A -> B -> C 的顺序进行组织，各个线程在调用 Lock#lock 方法获取到锁之后会先尝试通知后继线程（将对应的线程移入到同步队列），然后对 idx 变量进行累加并打印，接着进入等待状态并释放资源，方法 Lock#unlock 接下来会调度位于同步队列队头结点的线程继续执行。

ReentrantLock 实现内幕

Lock 接口

ReentrantLock 实现了 Lock 接口，该接口抽象了锁应该具备的基本操作，包括锁资源的获取、释放，以及创建条件对象。除了本文介绍的 ReentrantLock 外，JUC 中直接或间接实现了 Lock 接口的组件还包括 ReentrantReadWriteLock 和 StampedLock，我们将在后面的文章中对这些组件逐一分析。Lock 接口的定义如下：

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public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

各方法释义如下：

  • lock()：获取锁资源，如果获取失败则阻塞。
  • lockInterruptibly()：获取锁资源，如果获取失败则阻塞，阻塞期间支持响应中断请求。
  • tryLock()：尝试获取锁资源，不管是否获取成功都立即返回，如果获取成功则返回 true，否则返回 false。
  • tryLock(long time, TimeUnit unit)：尝试获取锁资源，相对于无参版本的 tryLock 方法引入了超时机制，并支持在等待期间响应中断请求。
  • unlock()：释放锁资源。
  • newCondition()：创建一个绑定到当前 Lock 上的条件对象。

资源的获取与释放

上一小节分析了 Lock 接口的定义，ReentrantLock 实现了该接口，并将接口方法的实现都委托给了 Sync 内部类处理。Sync 是一个抽象类，继承自 AbstractQueuedSynchronizer，并派生出 FairSync 和 NonfairSync 两个子类（继承关系如下图），由命名可以看出 FairSync 实现了公平锁，而 NonfairSync 则实现了非公平锁。

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ReentrantLock 提供了带 boolean 参数的构造方法，依据该参数来决定是创建公平锁还是非公平锁（默认为非公平锁），构造方法定义如下：

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public ReentrantLock() {
    // 默认创建非公平锁
    sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    // 依据参数决定创建公平锁还是非公平锁
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

下面将区分公平锁和非公平锁分析 ReentrantLock 针对 Lock 接口方法的具体实现，在开始之前先介绍一下 AQS 中的 state 字段在 ReentrantLock 中的作用。

我们知道 ReentrantLock 是可重入的，这里的可重入是指当一个线程获取到 ReentrantLock 锁之后，如果该线程再次尝试获取该 ReentrantLock 锁时仍然可以获取成功，对应的重入次数加 1。ReentrantLock 的重入次数则由 AQS 的 state 字段进行记录。当 state 为 0 时，说明目标 ReentrantLock 锁当前未被任何线程持有，当一个线程释放 ReentrantLock 锁时，对应的 state 值需要减 1。

非公平锁

本小节我们来分析一下非公平锁 NonfairSync 的实现机制，首先来看一下 NonfairSync#lock 方法，该方法用于获取资源，如果获取失败则会将当前线程加入到同步队列中阻塞等待。方法实现如下：

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final void lock() {
    // 尝试获取锁，将 state 由 0 设置为 1
    if (this.compareAndSetState(0, 1)) {
        // 首次获取锁成功，记录当前锁对象
        this.setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    } else {
        // 目标锁对象已经被占用，或者非首次获取目标锁对象
        this.acquire(1);
    }
}

方法 NonfairSync#lock 加锁的过程首先会基于 CAS 操作尝试将 ReentrantLock 的 state 值由 0 改为 1，抢占锁资源，这也是非公平语义的根本所在。如果操作成功，则说明目标 ReentrantLock 锁当前未被任何线程持有，且本次加锁成功。如果操作失败则区分两种情况：

  • 目标 ReentrantLock 锁已被当前线程持有。
  • 目标 ReentrantLock 锁已被其它线程持有。

针对这两种情况，接下来会调用 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 方法尝试获取 1 个单位的资源，该方法由 AQS 实现，我们已经在前面的文章中分析过，其中会执行模板方法 AbstractQueuedSynchronizer#tryAcquire。NonfairSync 针对该模板方法的实现如下：

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

上述方法将尝试获取资源的逻辑委托给 Sync#nonfairTryAcquire 方法执行，ReentrantLock 的 ReentrantLock#tryLock() 方法同样基于该方法实现。下面来分析一下该方法的执行逻辑，实现如下：

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final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程对象
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取 state 值
    int c = this.getState();
    if (c == 0) {
        // state 为 0，表示目标锁当前未被持有，尝试获取锁
        if (this.compareAndSetState(0, acquires)) {
            this.setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 如果当前已经持有锁的线程已经是当前线程
    else if (current == this.getExclusiveOwnerThread()) {
        // 重入次数加 1
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) {
            // 重入次数溢出
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        }
        // 更新 state 记录的重入次数
        this.setState(nextc);
        return true;
    }
    // 已经持有锁的线程不是当前线程，尝试加锁失败
    return false;
}

方法 Sync#nonfairTryAcquire 的执行流程可以概括为;

  1. 获取当前 ReentrantLock 锁的 state 值；
  2. 如果 state 值为 0，说明当前 ReentrantLock 锁未被任何线程持有，基于 CAS 尝试将 state 值由 0 改为 1，抢占锁资源，修改成功即为加锁成功；
  3. 否则，如果当前已经持有该 ReentrantLock 锁的线程是自己，则修改重入次数（即将 state 值加 1）；
  4. 否则，目标 ReentrantLock 锁已经被其它线程持有，加锁失败。

如果 Sync#nonfairTryAcquire 方法返回 false，则说明当前线程尝试获取目标 ReentrantLock 锁失败，对于 ReentrantLock#lock 方法而言，接下去线程会被加入到同步队列阻塞等待，而对于 ReentrantLock#tryLock() 方法而言，线程会立即退出，并返回 false。

方法 ReentrantLock#newCondition 同样是委托给 Sync#newCondition 方法处理，该方法只是简单的创建了一个 ConditionObject 对象，即新建了一个条件队列。非公平锁 NonfairSync 中的以下方法都是直接委托给 AQS 处理，这些方法的实现机制已在前面分析 AQS 时介绍过：

  • ReentrantLock#lockInterruptibly：直接委托给 AbstractQueuedSynchronizer#acquireInterruptibly 方法实现，获取的资源数为 1。
  • ReentrantLock#tryLock(long, java.util.concurrent.TimeUnit)：直接委托给 AbstractQueuedSynchronizer#tryAcquireNanos 方法实现，获取的资源数为 1。
  • ReentrantLock#unlock：直接委托给 AbstractQueuedSynchronizer#release 方法实现，释放的资源数为 1。

前面的文章，我们在分析 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer#release 方法时，曾介绍过该方法会调用模板方法 AbstractQueuedSynchronizer#tryRelease 以尝试释放资源。ReentrantLock 针对该模板方法的实现位于 Sync 抽象类中，所以它是一个由 NonfairSync 和 FairSync 共用的方法，下面来分析一下该方法的实现。

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protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 将当前 state 记录的重入次数减 1
    int c = this.getState() - releases;
    // 如果当前持有锁的线程对象不是当前线程则抛出异常
    if (Thread.currentThread() != this.getExclusiveOwnerThread()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
    }
    boolean free = false;
    // 如果重入次数已经降为 0，则清空持有当前锁的线程对象
    if (c == 0) {
        free = true;
        this.setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 更新当前锁的重入次数
    this.setState(c);
    return free;
}

尝试释放资源的过程本质上就是修改 state 字段值的过程，如果当前操作的线程是持有 ReentrantLock 锁的线程，则上述方法会将 state 值减 1，即将已重入次数减 1。如果修改后的 state 字段值为 0，则说明当前线程已经释放了持有的 ReentrantLock 锁，此时需要清除记录在 ReentrantLock 对象中的线程 Thread 对象。

公平锁

本小节我们来分析一下公平锁 FairSync 的实现机制，这里的公平本质上是指公平的获取锁资源，所以主要的区别体现在加锁的过程，即 ReentrantLock#lock 方法。

前面我们在分析 NonfairSync 时看到，NonfairSync 在加锁时首先会基于 CAS 尝试将 state 值由 0 改为 1，失败的情况下才会继续调用 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 方法等待获取资源，并且在同步队列中等待期间仍然会在 state 为 0 时抢占获取锁资源。

FairSync 相对于 NonfairSync 的区别在于当 state 值为 0 时，即目标 ReentrantLock 锁此时未被任何线程持有的情况下，FairSync 并不会去抢占锁资源，而是检查同步队列中是否有排在前面等待获取锁资源的其它线程，如果有则让渡这些排在前面的线程优先获取锁资源。

下面来看一下 FairSync#lock 方法的实现，该方法只是简单的将获取锁资源操作委托给 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 方法执行，所以我们需要重点关注一下模板方法 FairSync#tryAcquire 的实现：

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 获取当前线程对象
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取当前 state 值
        int c = this.getState();
        if (c == 0) {
            // state 为 0，表示目标锁当前未被持有，先检查是否有阻塞等待当前锁的线程，如果没有再尝试获取锁
            if (!this.hasQueuedPredecessors() && this.compareAndSetState(0, acquires)) {
                this.setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果当前已经持有锁的线程已经是当前线程，则修改已重入次数加 1
        else if (current == this.getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) {
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            }
            this.setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

上述方法的执行流程与 NonfairSync 中的相关实现大同小异，主要区别在于当 state 值为 0 时，FairSync 会调用 AbstractQueuedSynchronizer#hasQueuedPredecessors 检查当前同步队列中是否还有等待获取锁资源的其它线程，如果存在则优先让这些线程获取锁资源，并将自己加入到同步队列中排队等待。

总结

本文我们通过一个 3 线程交替打印的程序演示了 ReentrantLock 的基本使用，并一起分析了 ReentrantLock 的实现机制。因为基于 AQS 实现，所以大部分的操作已经由 AQS 完成，ReentrantLock 只需要关注自身定制化逻辑即可，整体实现要简单了很多。

理解了 ReentrantLock 的实现机制，应该会对 AQS 的设计与实现有更进一步的认识。最后留两个小思考题：

  1. 示例程序中一共用到了几个队列，线程在运行期间是如何出队列入队列的？
  2. 参考 ReentrantLock 的设计，思考如何实现一个非重入锁 NonReentrantLock？

参考

  1. JDK 1.8 源码
  2. The java.util.concurrent Synchronizer Framework