JUC锁-互斥锁ReentrantLock(二)

ReentrantLock介绍

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。

顾名思义，ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都可能获取锁。

ReentrantLock的UML类图

(01) ReentrantLock实现了Lock接口。

(02) ReentrantLock与sync是组合关系。ReentrantLock中，包含了Sync对象；而且，Sync是AQS的子类；更重要的是，Sync有两个子类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)。ReentrantLock是一个独占锁，至于它到底是公平锁还是非公平锁，就取决于sync对象是”FairSync的实例”还是”NonFairSync的实例”。

ReentantLock的构造方法

final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true)

/** 同步器：内部类Sync的一个引用 */private final Sync sync;/*** 创建一个非公平锁*/public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();}/*** 创建一个锁* @param fair true-->公平锁  false-->非公平锁*/public ReentrantLock(boolean fair) {sync = (fair)? new FairSync() : new NonfairSync();}

三个内部类Sync/NonfairSync/FairSync，这里只列出类的定义

/*** 该锁同步控制的一个基类.下边有两个子类：非公平机制和公平机制.使用了AbstractQueuedSynchronizer类的*/static abstract class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer/*** 非公平锁同步器*/final static class NonfairSync extends Sync/*** 公平锁同步器*/final static class FairSync extends Sync

ReentantLock的FairSync的lock方法：

ReetantLock调用的lock方法调用了他的组件Sync的lock方法，先看一下FairSync的lock方法：

1.lock()

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

2.acquire()

acquire是在AQS实现的

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

(01) “当前线程”首先通过tryAcquire()尝试获取锁。获取成功的话，直接返回；尝试失败的话，进入到等待队列排序等待(前面还有可能有需要线程在等待该锁)。

(02) “当前线程”尝试失败的情况下，先通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)来将“当前线程”加入到”CLH队列(非阻塞的FIFO队列)”末尾。CLH队列就是线程等待队列。

(03) 再执行完addWaiter(Node.EXCLUSIVE)之后，会调用acquireQueued()来获取锁。由于此时ReentrantLock是公平锁，它会根据公平性原则来获取锁。

(04) “当前线程”在执行acquireQueued()时，会进入到CLH队列中休眠等待，直到获取锁了才返回！如果“当前线程”在休眠等待过程中被中断过，acquireQueued会返回true，此时”当前线程”会调用selfInterrupt()来自己给自己产生一个中断。至于为什么要自己给自己产生一个中断，后面再介绍。

我们分成四个部分去解释这个acquire过程：

一. tryAcquire()
二. addWaiter()
三. acquireQueued()
四. selfInterrupt()

tryAcquire()

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {// 获取“当前线程”final Thread current = Thread.currentThread();// 获取“独占锁”的状态int c = getState();// c=0意味着“锁没有被任何线程锁拥有”，if (c == 0) {// 若“锁没有被任何线程锁拥有”，// 则判断“当前线程”是不是CLH队列中的第一个线程线程，// 若是的话，则获取该锁，设置锁的状态，并切设置锁的拥有者为“当前线程”。if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 如果“独占锁”的拥有者已经为“当前线程”，// 则将更新锁的状态。int nextc = c + acquires;if (nextc < 0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;
}

注意，有两个比较简单的函数：hasQueuedPredecessors() 是通过判断”当前线程”是不是在CLH队列的队首，setExclusiveOwnerThread()的作用就是，设置线程t为当前拥有“独占锁”的线程。

tryAcquire()的作用就是尝试去获取锁。当当前线程是队首或者是正在执行的线程则尝试成功，返回true；否则尝试失败，返回false，后续再通过其它办法来获取该锁。后面我们会说明，在尝试失败的情况下，是如何一步步获取锁的。

addWaiter()

private Node addWaiter(Node mode) {// 新建一个Node节点，节点对应的线程是“当前线程”，“当前线程”的锁的模型是mode。Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);Node pred = tail;// 若CLH队列不为空，则将“当前线程”添加到CLH队列末尾if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}// 若CLH队列为空，则调用enq()新建CLH队列，然后再将“当前线程”添加到CLH队列中。enq(node);return node;
}

enq()

private Node enq(final Node node) {for (;;) {Node t = tail;if (t == null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}
}

enq()的作用很简单。如果CLH队列为空，则新建一个CLH表头；然后将node添加到CLH末尾。否则，直接将node添加到CLH末尾。

addWaiter()的作用，就是将当前线程添加到CLH队列中。这就意味着将当前线程添加到等待获取“锁”的等待线程队列中了。

acquireQueued()


//acquireQueued()的目的是从队列中获取锁。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;try {// interrupted表示在CLH队列的调度中，// “当前线程”在休眠时，有没有被中断过。boolean interrupted = false;for (;;) {// 获取上一个节点。// node是“当前线程”对应的节点，这里就意味着“获取上一个等待锁的线程”。final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return interrupted;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}

先把shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)和parkAndCheckInterrupt()两个函数弄懂

// 返回“当前线程是否应该阻塞”
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {// 前继节点的状态int ws = pred.waitStatus;// 如果前继节点是SIGNAL状态，则意味这当前线程需要被unpark唤醒。此时，返回true。if (ws == Node.SIGNAL)return true;// 如果前继节点是“取消”状态，则设置 “当前节点”的 “当前前继节点”  为  “‘原前继节点’的前继节点”。if (ws > 0) {do {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);pred.next = node;} else {// 如果前继节点为“0”或者“共享锁”状态，则设置前继节点为SIGNAL状态。compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;
}

(01) 关于waitStatus请参考下表(中扩号内为waitStatus的值)，更多关于waitStatus的内容，可以参考前面的Node类的介绍。

CANCELLED[1]  -- 当前线程已被取消
SIGNAL[-1]    -- “当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)”。一般发生情况是：当前线程的后继线程处于阻塞状态，而当前线程被release或cancel掉，因此需要唤醒当前线程的后继线程。
CONDITION[-2] -- 当前线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒
PROPAGATE[-3] -- (共享锁)其它线程获取到“共享锁”
[0]           -- 当前线程不属于上面的任何一种状态。

(02) shouldParkAfterFailedAcquire()通过以下规则，判断“当前线程”是否需要被阻塞。

规则1：如果前继节点状态为SIGNAL，表明当前节点需要被unpark(唤醒)，此时则返回true。
规则2：如果前继节点状态为CANCELLED(ws>0)，说明前继节点已经被取消，则通过先前回溯找到一个有效(非CANCELLED状态)的节点，并返回false。
规则3：如果前继节点状态为非SIGNAL、非CANCELLED，则设置前继的状态为SIGNAL，并返回false。

如果“规则1”发生，即“前继节点是SIGNAL”状态，则意味着“当前线程”需要被阻塞。接下来会调用parkAndCheckInterrupt()阻塞当前线程，直到当前先被唤醒才从parkAndCheckInterrupt()中返回。

parkAndCheckInterrupt方法

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {// 通过LockSupport的park()阻塞“当前线程”。LockSupport.park(this);// 返回线程的中断状态。return Thread.interrupted();
}

parkAndCheckInterrupt()的作用是阻塞当前线程，并且返回“线程被唤醒之后”的中断状态。
它会先通过LockSupport.park()阻塞“当前线程”，然后通过Thread.interrupted()返回线程的中断状态。

了解了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()函数之后。我们接着分析acquireQueued()的for循环部分。

for (;;) {// 获取上一个节点。// node是“当前线程”对应的节点，这里就意味着“获取上一个等待锁的线程”。final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return interrupted;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}

说明：

(01) 通过node.predecessor()获取前继节点。predecessor()就是返回node的前继节点，若对此有疑惑可以查看下面关于Node类的介绍。

(02) p == head && tryAcquire(arg)

首先，判断“前继节点”是不是CHL表头。如果是的话，则通过tryAcquire()尝试获取锁。
如果不是，那么我们需要shouldParkAfterFailedAcquire()我们判断“当前线程”是否需要阻塞；为什么呢？

（waitstate的状态SIGNAL[-1] – “当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)”。一般发生情况是：当前线程的后继线程处于阻塞状态，而当前线程被release或cancel掉，因此需要唤醒当前线程的后继线程。）
接着，“当前线程”阻塞的话，会调用parkAndCheckInterrupt()来阻塞线程。
当线程被解除阻塞的时候，我们会返回线程的中断状态。而线程被解决阻塞，可能是由于“线程被中断”，也可能是由于“其它线程调用了该线程的unpark()函数”。

(03) 再回到p==head这里。如果当前线程是因为其它线程调用了unpark()函数而被唤醒，那么唤醒它的线程，应该是它的前继节点所对应的线程(关于这一点，后面在“释放锁”的过程中会看到)。 OK，是前继节点调用unpark()唤醒了当前线程！

小结：acquireQueued()的作用就是“当前线程”会根据公平性原则进行阻塞等待，直到获取锁为止；并且返回当前线程在等待过程中有没有并中断过。

释放公平锁Unlock

1.unlock()

unlock()在ReentrantLock.java中实现的，而公平锁和非公平锁没有重写unlock方法，这说明释放锁的方法一样

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

2. release()

public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);return true;}return false;
}

3.tryRelease()

复制代码protected final boolean tryRelease(int releases) {// c是本次释放锁之后的状态int c = getState() - releases;// 如果“当前线程”不是“锁的持有者”，则抛出异常！if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException();boolean free = false;// 如果“锁”已经被当前线程彻底释放，则设置“锁”的持有者为null，即锁是可获取状态。if (c == 0) {free = true;setExclusiveOwnerThread(null);}// 设置当前线程的锁的状态。setState(c);return free;
}

tryRelease()的作用是尝试释放锁。

(01) 如果“当前线程”不是“锁的持有者”，则抛出异常。

(02) 如果“当前线程”在本次释放锁操作之后，对锁的拥有状态是0(即，当前线程彻底释放该“锁”)，则设置“锁”的持有者为null，即锁是可获取状态。同时，更新当前线程的锁的状态为0。

4.unparkSuccessor()

在release()中“当前线程”释放锁成功的话，会唤醒当前线程的后继线程。
根据CLH队列的FIFO规则，“当前线程”(即已经获取锁的线程)肯定是head；如果CLH队列非空的话，则唤醒锁的下一个等待线程。

private void unparkSuccessor(Node node) {// 获取当前线程的状态int ws = node.waitStatus;// 如果状态<0，则设置状态=0if (ws < 0)compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);//获取当前节点的“有效的后继节点”，无效的话，则通过for循环进行获取。// 这里的有效，是指“后继节点对应的线程状态<=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;}// 唤醒“后继节点对应的线程”if (s != null)LockSupport.unpark(s.thread);
}

unparkSuccessor()的作用是“唤醒当前线程的后继线程”。后继线程被唤醒之后，就可以获取该锁并恢复运行了。

ReentantLock的NonFairSync的lock方法：

非公平锁和公平锁在获取锁的方法上，流程是一样的；它们的区别主要表现在“尝试获取锁的机制不同”。简单点说，“公平锁”在每次尝试获取锁时，都是采用公平策略(根据等待队列依次排序等待)；而“非公平锁”在每次尝试获取锁时，都是采用的非公平策略(无视等待队列，直接尝试获取锁，如果锁是空闲的，即可获取状态，则获取锁)。

我们已经详细介绍了获取公平锁的流程和机制；下面，通过代码分析以下获取非公平锁的流程。当染，我们主要强调他们不一样的地方，

lock方法

final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1))setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());elseacquire(1);
}

lock()会先通过compareAndSet(0, 1)来判断“锁”是不是空闲状态。是的话，“当前线程”直接获取“锁”；否则的话，调用acquire(1)获取锁。

“公平锁”和“非公平锁”关于lock()的对比

公平锁   -- 公平锁的lock()函数，会直接调用acquire(1)。
非公平锁 -- 非公平锁会先判断当前锁的状态是不是空闲，是的话，就不排队，而是直接获取锁。
也就是完成了我们说的插队

acquire()

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

“公平锁”和“非公平锁”关于acquire()的对比

公平锁和非公平锁，只有tryAcquire()函数的实现不同；即它们尝试获取锁的机制不同。
这就是我们所说的“它们获取锁策略的不同所在之处”！

我们已经详细介绍了acquire()涉及到的各个函数。
这里仅对它们有差异的函数tryAcquire()进行说明。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);
}final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {// 获取“当前线程”final Thread current = Thread.currentThread();// 获取“锁”的状态int c = getState();// c=0意味着“锁没有被任何线程锁拥有”if (c == 0) {// 若“锁没有被任何线程锁拥有”，则通过CAS函数设置“锁”的状态为acquires。// 同时，设置“当前线程”为锁的持有者。if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 如果“锁”的持有者已经是“当前线程”，// 则将更新锁的状态。int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;
}

“公平锁”和“非公平锁”关于tryAcquire()的对比

公平锁和非公平锁，它们尝试获取锁的方式不同。
公平锁在尝试获取锁时，即使“锁”没有被任何线程锁持有，它也会判断自己是不是CLH等待队列的表头；是的话，才获取锁。
而非公平锁在尝试获取锁时，如果“锁”没有被任何线程持有，则不管它在CLH队列的何处，它都直接获取锁。也就是“第二次插队”