概要
ReentrantLock是一种经常会被用来与Synchronized比较的一种同步机制，其在Java中的应用也十分广泛，比如最常见的BlockingQueue就是使用了ReentrantLock来实现的同步机制。
个人认为ReentrantLock和Synchronized的区别主要有以下三点：
- ReentrantLock等待可中中断
- ReentrantLock可以实现公平锁
- ReentrantLock可以通过Condition绑定多个条件
经典Demo
本文打算以常用的几个方法为切入点来分析源码，首先看下ArrayBlockingQueue源码中ReentrantLock的经典使用方式：
put方法：
- 上锁
- 如果发现queue满了就阻塞至队列不满为止。然后将对象加入队列。
- 最终解锁
take方法：
- 上锁
- 如果发现queue为空就阻塞至队列不为空为止。然后将队列中值导出。
- 最终解锁
private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
Objects.requireNonNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void enqueue(E e) {
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = e;
if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal();
}
private E dequeue() {
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
E e = (E) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0;
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
notFull.signal();
return e;
}
private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}
主要方法及作用
ReentrantLock.lock():(和lockInterruptibly实现大致相同)
用来获取锁。
ReentrantLock.unlock():
解锁。
Condition.await():
释放锁，并且阻塞。只有当该Condition被signal的时候才会停止阻塞。
Condition.signal():
唤醒执行了Condition.await()的线程。
阻塞唤醒数据结构
在开始分析各个主要方法的源码之前，首先要讲一下重要的实现阻塞唤醒的数据结构：
AbstractQueuedSynchronizer.Node
Node是一个等待队列，AQS就是通过这个队列来处理“锁争抢”的问题的，在有多个线程产生“锁争抢”的情况的时候，会根据对象在Node队列中的位置去获取锁。Node中存储了每一个等待对象当前的状态。
在ReentrantLock中有两个地方用到了Node：
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- 每个ReentrantLock对象对应一个Node队列。如果lock获取锁失败，在阻塞线程的同时，会生成一个Node对象到等待队列中。
- 每个Condition对象对应一个Node队列。在执行await方法的时候，会生成一个Node对象加入到等待队列中。
/**
* Wait queue node class.
*
*/
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled. */
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking. */
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition. */
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate.
*/
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
//其他部分省略
}
ReentrantLock.lock()
主要过程如下：
- 尝试用CAS去获取锁，如果获取到锁，就会把当前获取到锁的线程设置为自己，并且返回true。(实现了可重入锁，如果同一个线程反复获取同一个锁不会阻塞)
- 如果没有获取到锁，那么会进入到acquireQueued()的自旋中，只有获取到锁或者中断异常了才会跳出。
public void lock() {
sync.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);
}
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;
}
acquireQueued()自旋
自旋中有两个if：
- 如果前驱节点为head，那么就尝试获取锁。
当前驱节点为head时，说明前面没有其他等待获取锁的对象，后面就轮到当前节点来获取锁了。 - 如果需要阻塞，那么就阻塞。
当还没有轮到自己来获取锁的时候，就通过LockSupport.park(this)这个方法来阻塞。但是，由于ReentrantLock本身是支持停止阻塞的，所以有可能在被唤醒的时候线程已经由于超时等原因被中断了。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean interrupted = false;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))
interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
}
} catch (Throwable t) {
cancelAcquire(node);
if (interrupted)
selfInterrupt();
throw t;
}
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
ReentrantLock.unlock()
主要过程如下：
- 如果锁当前被占有，直接释放，返回true。如果锁已经释放，就返回false。
- 当锁释放之后，会尝试去唤醒在Node队列中排在此Node后面的一个线程。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
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;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
node.compareAndSetWaitStatus(ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node p = tail; p != node && p != null; p = p.prev)
if (p.waitStatus <= 0)
s = p;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
Condition.await()
主要过程如下：
- 添加新的Node到Condition的等待队列中
- 释放掉AQS占有的锁。
- 使用LockSupport.park(this)阻塞住当前线程，只有当Condition.singal()或者线程被中断的时候才会执行后续逻辑。
- 如果线程已经被中断，会执行一些清理操作。
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
private Node addConditionWaiter() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node t = lastWaiter;
// If lastWaiter is cancelled, clean out.
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
Node node = new Node(Node.CONDITION);
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}
final int fullyRelease(Node node) {
try {
int savedState = getState();
if (release(savedState))
return savedState;
throw new IllegalMonitorStateException();
} catch (Throwable t) {
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
throw t;
}
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
Condition.signal()
主要逻辑如下：
- 首先判断Condition对应的等待队列的第一个Node是否为空，如果不为空就执行后续逻辑。
- 使用LockSupport.unpark(node.thread)唤醒Condition等待队列中的第一个Node对应的线程，在唤醒之后在等待队列中逻辑删除第一个Node。
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
final boolean transferForSignal(Node node) {
if (!node.compareAndSetWaitStatus(Node.CONDITION, 0))
return false;
enq(node);
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !p.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
ReentrantLock公平锁
默认的ReentrantLock和Synchronized都是非公平锁的。
那么为什么要在ReentrantLock中引入公平锁？
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
我们可以直接来看下两者源码的区别。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
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;
}
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
@ReservedStackAccess
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;
}
}
可以看到，其实公平锁与非公平锁相比，就是在CAS之前多了个hasQueuedPredecessors()的判断。
/**
* Queries whether any threads have been waiting to acquire longer
* than the current thread.
* /
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
这个方法的作用在源码注释中已经写得很清楚：判断是否有其他线程比当前线程等待得更久。
在公平锁中，如果有其他线程比当前线程等待的更久，那么当前线程就会直接进入等待队列，而不会使用 CAS来获取锁。
为什么默认是非公平锁，而不是公平锁？
答：因为非公平锁性能更好。
公平锁一旦发现有其他比自己等待的更久的线程，会直接阻塞当前线程，进入等待队列。而如果是非公平锁，在这种情况下，完全可能能通过CAS直接获取到锁。
线程的阻塞和唤醒本身会耗费一定资源，尤其在高并发的情况下，非公平锁与公平锁相比能够节省很多线程调度的资源。
