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ReentrantLock 源码
介绍 ReentrantLock 的文章很多，今天我们来一起看一下 ReentrantLock 的源码，理解一下实现原理。
类定义
ReentrantLock 实现了 Lock 接口，和序列化接口。
/**
* @author 老马啸西风
*/
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;
}
Sync 介绍
Sync 作为可重入锁的私有变量，实际上是继承自 AQS 的一个锁实现。
关于部分方法的解释我写在了注释中，便于大家理解。
ps：AQS 我们本节不做展开，后续会专门有一节进行讲解。
/**
* Base of synchronization control for this lock. Subclassed
* into fair and nonfair versions below. Uses AQS state to
* represent the number of holds on the lock.
* @author 老马啸西风
*/
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
/**
* Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
* is to allow fast path for nonfair version.
*/
abstract void lock();
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*
* 非公平获取锁。
* （1）如果当前没有线程持有锁，则通过 CAS 比较，如果 state=0，且设置为 acquires 成功，则设置持有锁的线程为当前线程。
* （2）如果持有锁的线程已经是当前线程，则设置 state += acquires;
* 这里还很细心，做了一个防止 overflow 的处理。
*/
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;
}
/**
* 尝试释放锁
* （1）如果当前进程不是最后一个设置锁的进程（锁的持有者），则报错
* （2）c = 当前状态-释放的个数。
* 如果 c = 0，说明锁已经被完全释放，设置所的持有者为 null，更新 state=c，返回 free 的结果。
*/
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;
}
/**
* 判断当前线程是否为持有者
*/
protected final boolean isHeldExclusively() {
// While we must in general read state before owner,
// we don't need to do so to check if current thread is owner
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
/**
* 创建一个 ConditionObject
*/
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}
// Methods relayed from outer class
/**
* 获取锁持有者
*/
final Thread getOwner() {
return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}
/**
* 获取锁持有者的数量
*/
final int getHoldCount() {
return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
}
/**
* 判断是否处于加锁状态
*/
final boolean isLocked() {
return getState() != 0;
}
/**
* Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).
*/
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}
非公平锁实现
源码
这里的非公平锁实现直接继承自 Sync。
/**
* Sync object for non-fair locks
* @author 老马啸西风
*/
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);
}
/**
* 尝试获取锁的实现很简单，直接调用 Sync 中的方法。
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
lock 方法
这里我们讲解下 lock() 方法，这个是一个加锁的方法。
if (compareAndSetState(0, 1)) 意思就是当 state=0 且设置为1成功时，设置锁的持有者为当前线程。
否则就调用 acquire(1);，这个方法时 AQS 中的一个方法：
/**
* Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented
* by invoking at least once {@link #tryAcquire},
* returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly
* repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
* #tryAcquire} until success. This method can be used
* to implement method {@link Lock#lock}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
* @author 老马啸西风
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
这里使用独占模式获取锁，忽略打断。
而且会至少调用一次 tryAcquire() 方法，成功就返回。没成功，就是放在重试队列里，一直重试，直到成功为止。
所以本质上，acquire 方法调用的还是 tryAcquire() 方法，额外多了重试功能。
小思考题
为什么说这是一种非公平锁？
公平锁实现
源码
公平锁也是继承自 Sync 类。
/**
* Sync object for fair locks
* @author 老马啸西风
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
/**
* 加锁方法，比较简单就是直接调用 acquire()
*/
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;
}
}
tryAcquire 方法
我们来重点看一下 tryAcquire() 方法。
这里首先如果 state=0（没有线程持有锁），则尝试开始加锁。但是有一个前提，那就是这个方法：!hasQueuedPredecessors()
这个方法意思也比较明确，就是在当前线程之前没有其他线程等待，就像排队一样，讲究一个先来后到。
- hasQueuedPredecessors()
这个方法我们简单看一下，不是本节的重点内容：
/**
* @author 老马啸西风
*/
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;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
当前线程前面有其他线程等待的条件如下：
（1）等待的队列不是空。
（2）第一个元素不是当前线程。
什么叫可重入？
实际上 current == getExclusiveOwnerThread() 分支的处理方式，这里就是可重入的概念。
如果当前线程和持有锁的线程是同一个，直接操作即可，省去了上面的判断。
构造器
构造器相对理解起来就轻松很多。
默认是非公平锁，也可以指定是否公平来创建。
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
* This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
* @author 老马啸西风
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
* given fairness policy.
*
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
为什么默认是非公平锁？
个人理解是处于性能的考虑，非公平和公平锁对比，少了一次判断是否为第一个等待获取锁的线程比较。
当然公平锁的优点就是避免饥饿。
其他方法
剩下的方法，大部分都是对 Sync 实现的简单调用，让我们来一起看一遍。
lock()
加锁方法，不允许被打断。直接调用 sync。
public void lock() {
sync.lock();
}
lockInterruptibly()
允许被打断的加锁方式。
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
这个调用的也是 AQS 的方法：
/**
* @author 老马啸西风
*/
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}
如果当前被打断，直接抛出打断异常。
如果尝试获取锁失败，则调用 doAcquireInterruptibly()，方法实现如下：
/**
* Acquires in exclusive interruptible mode.
* @param arg the acquire argument
* @author 老马啸西风
*/
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);
}
}
这里就是在循环等待获取锁，用独占的方式，只不过允许被打断。
tryLock()
尝试获取锁，实现如下：
public boolean tryLock() {
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
这里非常有趣，调用的是非公平尝试获取锁的方法。
- 为什么调用的是非公平锁？
我们都声明使用公平锁模式了，为什么 jdk 在这里用的确实非公平模式获取的？
jdk 给出的解释如下：
即使将此锁设置为使用公平的排序策略，对 tryLock() 的调用也会立即获取该锁（如果有），无论当前是否有其他线程在等待该锁。即使破坏公平性，这种插入行为在某些情况下也可能有用。
个人的理解是这里的尝试获取锁就只有一次，虽然破坏了公平性呢，但是性能很好，常常是更符合使用者预期的。
ps: 这里不得不感慨一下，有些东西不看源码，是想不到的。
- 我们想使用公平模式获取锁怎么办？
那问题又来了，我们想使用公平锁模式获取锁怎么办？
我们可以使用 tryLock(0, TimeUnit.SECONDS) 这个方法公平的获取锁。
tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
指定超时时间的获取锁方法，系统会统一转换为 nanos 去处理。
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
- 纳秒是多久？
ns（nanosecond）：纳秒，时间单位。一秒的十亿分之一，等于10的负9次方秒（1 ns = 10 s）。
光在真空中一纳秒仅传播0.3米。个人电脑的微处理器执行一道指令（如将两数相加）约需2至4纳秒。
- tryAcquireNanos
/**
* @author 老马啸西风
*/
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
可以看出这个方法同样支持中断。
/**
* Acquires in exclusive timed mode.
*
* @param arg the acquire argument
* @param nanosTimeout max wait time
* @return {@code true} if acquired
* @author 老马啸西风
*/
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
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 true;
}
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
方法执行的时候设置了一个 deadline，有一句话怎么说来着。
deadline 是第一生产力，可能对于锁而言也是如此吧。
unlock()
释放锁。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
- release()
这里会调用 tryRelease，如果成功还会有一些 Node 信息的更新。
/**
* @author 老马啸西风
*/
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
其他还有一些方法，我们平时也不常用，此处就不做重点解析。
小结
锁作为我们高性能并发中并发安全的基础，是每一位 java 程序员的必备技能。
源码相对各种博客中的使用，显得有些无趣，但是有些东西，是源码中才有的知识。
相信你对技术有着更深的追求，极客的学习就样追根究底且枯燥。
本节中多次出现了一个类叫 AQS，下一节让我们一起来揭开这个类的神秘面纱。
各位极客的点赞转发关注，是我创作的最大动力，感谢你的支持！
参考资料
jdk8 源码
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