重入锁:ReentrantLock
重入锁:ReentrantLock
1. 简介
ReentrantLock,可重入锁,是一种递归无阻塞的同步机制。它可以等同于 synchronized
的使用,但是 ReentrantLock 提供了比 synchronized
更强大、灵活的锁机制,可以减少死锁发生的概率。
一个可重入的互斥锁定 Lock,它具有与使用
synchronized
方法和语句所访问的隐式监视器锁定相同的一些基本行为和语义,但功能更强大。ReentrantLock 将由最近成功获得锁定,并且还没有释放该锁定的线程所拥有。当锁定没有被另一个线程所拥有时,调用 lock 的线程将成功获取该锁定并返回。如果当前线程已经拥有该锁定,此方法将立即返回。可以使用
#isHeldByCurrentThread()
和#getHoldCount()
方法来检查此情况是否发生。
ReentrantLock 还提供了公平锁和非公平锁的选择,通过构造方法接受一个可选的 fair
参数(默认非公平锁):当设置为 true 时,表示公平锁;否则为非公平锁。
公平锁与非公平锁的区别在于,公平锁的锁获取是有顺序的。但是公平锁的效率往往没有非公平锁的效率高,在许多线程访问的情况下,公平锁表现出较低的吞吐量。
ReentrantLock 整体结构如下图:
- ReentrantLock 实现 Lock 接口,基于内部的 Sync 实现。
- Sync 实现 AQS ,提供了 FairSync 和 NonFairSync 两种实现。
2. Sync 抽象类
Sync 是 ReentrantLock 的内部静态类,实现 AbstractQueuedSynchronizer 抽象类,同步器抽象类。它使用 AQS 的 state
字段,来表示当前锁的持有数量,从而实现可重入的特性。
2.1 lock
/*** Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing* is to allow fast path for nonfair version.*/
abstract void lock();
- 执行锁。抽象了该方法的原因是,允许子类实现快速获得非公平锁的逻辑。
2.2 nonfairTryAcquire
#nonfairTryAcquire(int acquires)
方法,非公平锁的方式获得锁。代码如下:
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {//当前线程final Thread current = Thread.currentThread();//获取同步状态int c = getState();//state == 0,表示没有该锁处于空闲状态if (c == 0) {//获取锁成功,设置为当前线程所有if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}//线程重入//判断锁持有的线程是否为当前线程else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;
}
- 该方法主要逻辑:首先判断同步状态
state == 0
?如果是,表示该锁还没有被线程持有,直接通过CAS获取同步状态。如果成功,返回 true 。否则,返回 false 。如果不是,则判断当前线程是否为获取锁的线程?如果是,则获取锁,成功返回 true 。成功获取锁的线程,再次获取锁,这是增加了同步状态state
。通过这里的实现,我们可以看到上面提到的 “它使用 AQS 的state
字段,来表示当前锁的持有数量,从而实现可重入的特性”。否则,返回 false 。 - 理论来说,这个方法应该在子类 FairSync 中实现,但是为什么会在这里呢?在下文的
ReentrantLock.tryLock()
中,详细解析。
2.3 tryRelease
#tryRelease(int releases)
实现方法,释放锁。代码如下:
protected final boolean tryRelease(int releases) {// 减掉releasesint c = getState() - releases;// 如果释放的不是持有锁的线程,抛出异常if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException();boolean free = false;// state == 0 表示已经释放完全了,其他线程可以获取同步状态了if (c == 0) {free = true;setExclusiveOwnerThread(null);}setState(c);return free;
}
- 通过判断判断是否为获得到锁的线程,保证该方法线程安全。
- 只有当同步状态彻底释放后,该方法才会返回 true 。当
state == 0
时,则将锁持有线程设置为 null ,free= true
,表示释放成功。
2.4 其他实现方法
其他实现方法比较简单,胖友自己看。
// 是否当前线程独占
@Override
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 ownerreturn getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}// 新生成条件
final ConditionObject newCondition() {return new ConditionObject();
}// Methods relayed from outer class// 获得占用同步状态的线程
final Thread getOwner() {return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}// 获得当前线程持有锁的数量
final int getHoldCount() {return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
}// 是否被锁定
final boolean isLocked() {return getState() != 0;
}/*** Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).* 自定义反序列化逻辑*/
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {s.defaultReadObject();setState(0); // reset to unlocked state
}
- 从这些方法中,我们可以看到,ReentrantLock 是独占获取同步状态的模式。
3. Sync 实现类
3.1 NonfairSync
NonfairSync 是 ReentrantLock 的内部静态类,实现 Sync 抽象类,非公平锁实现类。
3.1.1 lock
#lock()
实现方法,首先基于 AQS state
进行 CAS 操作,将 0 => 1
。若成功,则获取锁成功。若失败,执行 AQS 的正常的同步状态获取逻辑。代码如下:
@Override
final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1))setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());elseacquire(1);
}
- 优先基于 AQS
state
进行 CAS 操作,已经能体现出非公平锁的特点。因为,此时有可能有 N + 1 个线程正在获得锁,其中 1 个线程已经获得到锁,释放的瞬间,恰好被新的线程抢夺到,而不是排队的 N 个线程。
3.1.2 tryAcquire
#tryAcquire(int acquires)
实现方法,非公平的方式,获得同步状态。代码如下:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);
}
- 直接调用
#nonfairTryAcquire(int acquires)
方法,非公平锁的方式获得锁。
3.2 FairSync
FairSync 是 ReentrantLock 的内部静态类,实现 Sync 抽象类,公平锁实现类。
3.2.1 lock
#lock()
实现方法,代码如下:
final void lock() {acquire(1);
}
- 直接执行 AQS 的正常的同步状态获取逻辑。
3.2.2 tryAcquire
#tryAcquire(int acquires)
实现方法,公平的方式,获得同步状态。代码如下:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {if (!hasQueuedPredecessors() && // <1>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;
}
比较非公平锁和公平锁获取同步状态的过程,会发现两者唯一的区别就在于,公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件 <1>
处的 #hasQueuedPredecessors()
方法,是否有前序节点,即自己不是首个等待获取同步状态的节点。代码如下:
// AbstractQueuedSynchronizer.java
public final boolean hasQueuedPredecessors() {Node t = tail; //尾节点Node h = head; //头节点Node s;//头节点 != 尾节点//同步队列第一个节点不为null//当前线程是同步队列第一个节点return h != t &&((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
- 该方法主要做一件事情:主要是判断当前线程是否位于 CLH 同步队列中的第一个。如果是则返回 true ,否则返回 false 。
3. Lock 接口
java.util.concurrent.locks.Lock
接口,定义方法如下:
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;void unlock();Condition newCondition();
FROM 《Java并发编程的艺术》的 「5.1 Lock 接口」 章节。
4. ReentrantLock
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock
,实现 Lock 接口,重入锁。
ReentrantLock 的实现方法,基本是对 Sync 的调用。
4.1 构造方法
public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();
}public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
- 基于
fair
参数,创建 FairSync 还是 NonfairSync 对象。
4.2 lock
@Override
public void lock() {sync.lock();
}
4.3 lockInterruptibly
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {sync.acquireInterruptibly(1);
}
4.4 tryLock
/*** Acquires the lock only if it is not held by another thread at the time* of invocation.** <p>Acquires the lock if it is not held by another thread and* returns immediately with the value {@code true}, setting the* lock hold count to one. Even when this lock has been set to use a* fair ordering policy, a call to {@code tryLock()} <em>will</em>* immediately acquire the lock if it is available, whether or not* other threads are currently waiting for the lock.* This "barging" behavior can be useful in certain* circumstances, even though it breaks fairness. If you want to honor* the fairness setting for this lock, then use* {@link #tryLock(long, TimeUnit) tryLock(0, TimeUnit.SECONDS) }* which is almost equivalent (it also detects interruption).** <p>If the current thread already holds this lock then the hold* count is incremented by one and the method returns {@code true}.** <p>If the lock is held by another thread then this method will return* immediately with the value {@code false}.** @return {@code true} if the lock was free and was acquired by the* current thread, or the lock was already held by the current* thread; and {@code false} otherwise*/
@Override
public boolean tryLock() {return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
- 详细的说明,胖友可以看上面的英文注释。
- 老艿艿的简单理解是:
#tryLock()
实现方法,在实现时,希望能快速的获得是否能够获得到锁,因此即使在设置为fair = true
( 使用公平锁 ),依然调用Sync#nonfairTryAcquire(int acquires)
方法。- 如果真的希望
#tryLock()
还是按照是否公平锁的方式来,可以调用#tryLock(0, TimeUnit)
方法来实现。
4.5 tryLock
@Override
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
4.6 unlock
@Override
public void unlock() {sync.release(1);
}
4.7 newCondition
@Override
public Condition newCondition() {return sync.newCondition();
}
4.8 其他实现方法
其他实现方法比较简单,胖友自己看。
public int getHoldCount() {return sync.getHoldCount();
}
public boolean isHeldByCurrentThread() {return sync.isHeldExclusively();
}
public boolean isLocked() {return sync.isLocked();
}public final boolean isFair() {return sync instanceof FairSync;
}protected Thread getOwner() {return sync.getOwner();
}
public final boolean hasQueuedThreads() {return sync.hasQueuedThreads();
}
public final boolean hasQueuedThread(Thread thread) {return sync.isQueued(thread);
}
public final int getQueueLength() {return sync.getQueueLength();
}
protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {return sync.getQueuedThreads();
}public boolean hasWaiters(Condition condition) {if (condition == null)throw new NullPointerException();if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))throw new IllegalArgumentException("not owner");return sync.hasWaiters((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
}
public int getWaitQueueLength(Condition condition) {if (condition == null)throw new NullPointerException();if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))throw new IllegalArgumentException("not owner");return sync.getWaitQueueLength((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
}
protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) {if (condition == null)throw new NullPointerException();if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))throw new IllegalArgumentException("not owner");return sync.getWaitingThreads((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
}
5. ReentrantLock 与 synchronized 的区别
前面提到 ReentrantLock 提供了比 synchronized
更加灵活和强大的锁机制,那么它的灵活和强大之处在哪里呢?他们之间又有什么相异之处呢?
首先他们肯定具有相同的功能和内存语义。
- 与
synchronized
相比,ReentrantLock提供了更多,更加全面的功能,具备更强的扩展性。例如:时间锁等候,可中断锁等候,锁投票。 - ReentrantLock 还提供了条件 Condition ,对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活,所以在多个条件变量和高度竞争锁的地方,ReentrantLock 更加适合(以后会阐述Condition)。
- ReentrantLock 提供了可轮询的锁请求。它会尝试着去获取锁,如果成功则继续,否则可以等到下次运行时处理,而
synchronized
则一旦进入锁请求要么成功要么阻塞,所以相比synchronized
而言,ReentrantLock会不容易产生死锁些。 - ReentrantLock 支持更加灵活的同步代码块,但是使用
synchronized
时,只能在同一个synchronized
块结构中获取和释放。注意,ReentrantLock 的锁释放一定要在finally
中处理,否则可能会产生严重的后果。 - ReentrantLock 支持中断处理,且性能较
synchronized
会好些。
参考资料
- Doug Lea:《Java并发编程实战》
- 方腾飞:《Java并发编程的艺术》的 「5.1 Lock 接口」 和 「5.3 重入锁」 章节
- 《【JUC】JDK 1.8 源码分析之 ReentrantLock(三)》
666. 彩蛋
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