深入ReentrantLock的实现原理和源码分析

　　ReentrantLock是Java并发包中提供的一个可重入的互斥锁。ReentrantLock和synchronized在基本用法，行为语义上都是类似的，同样都具有可重入性。只不过相比原生的Synchronized，ReentrantLock增加了一些高级的扩展功能，比如它可以实现公平锁，同时也可以绑定多个Conditon。

可重入性/公平锁/非公平锁

　　可重入性

　　　　所谓的可重入性，就是可以支持一个线程对锁的重复获取，原生的synchronized就具有可重入性，一个用synchronized修饰的递归方法，当线程在执行期间，它是可以反复获取到锁的，而不会出现自己把自己锁死的情况。ReentrantLock也是如此，在调用lock()方法时，已经获取到锁的线程，能够再次调用lock()方法获取锁而不被阻塞。那么有可重入锁，就有不可重入锁，我们在之前文章中自定义的一个Mutex锁就是个不可重入锁，不过使用场景极少而已。

　　公平锁/非公平锁

　　　　所谓公平锁,顾名思义，意指锁的获取策略相对公平，当多个线程在获取同一个锁时，必须按照锁的申请时间来依次获得锁，排排队，不能插队；非公平锁则不同，当锁被释放时，等待中的线程均有机会获得锁。synchronized是非公平锁，ReentrantLock默认也是非公平的，但是可以通过带boolean参数的构造方法指定使用公平锁，但非公平锁的性能一般要优于公平锁。

　　synchronized是Java原生的互斥同步锁，使用方便，对于synchronized修饰的方法或同步块，无需再显式释放锁。synchronized底层是通过monitorenter和monitorexit两个字节码指令来实现加锁解锁操作的。而ReentrantLock做为API层面的互斥锁，需要显式地去加锁解锁。　

class X {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // ...
 
    public void m() {
      lock.lock();  // 加锁
      try {
        // ... 函数主题
      } finally {
        lock.unlock() //解锁
      }
    }
  }

源码分析

　　接下来我们从源码角度来看看ReentrantLock的实现原理，它是如何保证可重入性，又是如何实现公平锁的。

　　ReentrantLock是基于AQS的，AQS是Java并发包中众多同步组件的构建基础，它通过一个int类型的状态变量state和一个FIFO队列来完成共享资源的获取，线程的排队等待等。AQS是个底层框架，采用模板方法模式，它定义了通用的较为复杂的逻辑骨架，比如线程的排队，阻塞，唤醒等，将这些复杂但实质通用的部分抽取出来，这些都是需要构建同步组件的使用者无需关心的，使用者仅需重写一些简单的指定的方法即可（其实就是对于共享变量state的一些简单的获取释放的操作）。

先来看常用的几个方法，我们从上往下推。

　　无参构造器（默认为非公平锁）

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();//默认是非公平的
    }

　　sync是ReentrantLock内部实现的一个同步组件，它是Reentrantlock的一个静态内部类，继承于AQS，后面我们再分析。

　　带布尔值的构造器（是否公平）

public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();//fair为true，公平锁；反之，非公平锁
    }

　　看到了吧，此处可以指定是否采用公平锁，FailSync和NonFailSync亦为Reentrantlock的静态内部类，都继承于Sync。

　　再来看看几个我们常用到的方法

　　lock()

public void lock() {
        sync.lock();//代理到Sync的lock方法上
    }

　　Sync的lock方法是抽象的，实际的lock会代理到FairSync或是NonFairSync上（根据用户的选择来决定，公平锁还是非公平锁）

　　lockInterruptibly()

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);//代理到sync的相应方法上，同lock方法的区别是此方法响应中断
    }

　　此方法响应中断，当线程在阻塞中的时候，若被中断，会抛出InterruptedException异常 

　　tryLock()

public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);//代理到sync的相应方法上
    }

　　tryLock，尝试获取锁，成功则直接返回true，不成功也不耽搁时间，立即返回false。

　　unlock()

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

　　释放锁，调用sync的release方法，其实是AQS的release逻辑。

 　　newCondition()

　　　　获取一个conditon，ReentrantLock支持多个Condition

public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

　　其他方法就不再赘述了，若想继续了解可去API中查看。

　　小结

　　其实从上面这写方法的介绍，我们都能大概梳理出ReentrantLock的处理逻辑，其内部定义了三个重要的静态内部类，Sync，NonFairSync，FairSync。Sync作为ReentrantLock中公用的同步组件，继承了AQS（要利用AQS复杂的顶层逻辑嘛，线程排队，阻塞，唤醒等等）；NonFairSync和FairSync则都继承Sync，调用Sync的公用逻辑，然后再在各自内部完成自己特定的逻辑（公平或非公平）。

　　接下来，关于如何实现重入性，如何实现公平性，就得去看这几个静态内部类了

　　NonFairSync（非公平可重入锁）

static final class NonfairSync extends Sync {//继承Sync
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
        /** 获取锁 */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))//CAS设置state状态，若原值是0，将其置为1
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//将当前线程标记为已持有锁
            else
                acquire(1);//若设置失败，调用AQS的acquire方法，acquire又会调用我们下面重写的tryAcquire方法。这里说的调用失败有两种情况：1当前没有线程获取到资源，state为0，但是将state由0设置为1的时候，其他线程抢占资源，将state修改了，导致了CAS失败；
2 state原本就不为0，也就是已经有线程获取到资源了，有可能是别的线程获取到资源，也有可能是当前线程获取的，这时线程又重复去获取，所以去tryAcquire中的nonfairTryAcquire我们应该就能看到可重入的实现逻辑了。
        }
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);//调用Sync中的方法
        }
    }

　　nonfairTryAcquire()

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();//获取当前线程
            int c = getState();//获取当前state值
            if (c == 0) {//若state为0，意味着没有线程获取到资源，CAS将state设置为1，并将当前线程标记我获取到排他锁的线程，返回true
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//若state不为0，但是持有锁的线程是当前线程
                int nextc = c + acquires;//state累加1
                if (nextc < 0) // int类型溢出了
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);//设置state，此时state大于1，代表着一个线程多次获锁，state的值即是线程重入的次数
                return true;//返回true，获取锁成功
            }
            return false;//获取锁失败了
        }

　　简单总结下流程：

　　　　1.先获取state值，若为0，意味着此时没有线程获取到资源，CAS将其设置为1，设置成功则代表获取到排他锁了；

　　　　2.若state大于0，肯定有线程已经抢占到资源了，此时再去判断是否就是自己抢占的，是的话，state累加，返回true，重入成功，state的值即是线程重入的次数；

　　　　3.其他情况，则获取锁失败。

　　 来看看可重入公平锁的处理逻辑

　　FairSync

static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);//直接调用AQS的模板方法acquire，acquire会调用下面我们重写的这个tryAcquire
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();//获取当前线程
            int c = getState();//获取state值
            if (c == 0) {//若state为0，意味着当前没有线程获取到资源，那就可以直接获取资源了吗？NO!这不就跟之前的非公平锁的逻辑一样了嘛。看下面的逻辑
                if (!hasQueuedPredecessors() &&//判断在时间顺序上，是否有申请锁排在自己之前的线程，若没有，才能去获取，CAS设置state，并标记当前线程为持有排他锁的线程；反之，不能获取！这即是公平的处理方式。
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//重入的处理逻辑，与上文一致，不再赘述
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

　　可以看到，公平锁的大致逻辑与非公平锁是一致的，不同的地方在于有了!hasQueuedPredecessors()这个判断逻辑，即便state为0，也不能贸然直接去获取，要先去看有没有还在排队的线程，若没有，才能尝试去获取，做后面的处理。反之，返回false，获取失败。

　　看看这个判断是否有排队中线程的逻辑

　　hasQueuedPredecessors()

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail; // 尾结点
        Node h = head;//头结点
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());//判断是否有排在自己之前的线程
    }

　需要注意的是，这个判断是否有排在自己之前的线程的逻辑稍微有些绕，我们来梳理下，由代码得知，有两种情况会返回true，我们将此逻辑分解一下（注意：返回true意味着有其他线程申请锁比自己早，需要放弃抢占）

　　1. h !=t && (s = h.next) == null，这个逻辑成立的一种可能是head指向头结点，tail此时还为null。考虑这种情况：当其他某个线程去获取锁失败，需构造一个结点加入同步队列中（假设此时同步队列为空），在添加的时候，需要先创建一个无意义傀儡头结点（在AQS的enq方法中，这是个自旋CAS操作），有可能在将head指向此傀儡结点完毕之后，还未将tail指向此结点。很明显，此线程时间上优于当前线程，所以，返回true，表示有等待中的线程且比自己来的还早。

　　2.h != t && (s = h.next) != null && s.thread != Thread.currentThread()。同步队列中已经有若干排队线程且当前线程不是队列的老二结点，此种情况会返回true。假如没有s.thread !=Thread.currentThread()这个判断的话，会怎么样呢？若当前线程已经在同步队列中是老二结点（头结点此时是个无意义的傀儡结点),此时持有锁的线程释放了资源，唤醒老二结点线程，老二结点线程重新tryAcquire（此逻辑在AQS中的acquireQueued方法中），又会调用到hasQueuedPredecessors，不加s.thread !=Thread.currentThread()这个判断的话，返回值就为true，导致tryAcquire失败。

　　最后，来看看ReentrantLock的tryRelease，定义在Sync中

protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;//减去1个资源
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //若state值为0，表示当前线程已完全释放干净，返回true，上层的AQS会意识到资源已空出。若不为0，则表示线程还占有资源，只不过将此次重入的资源的释放了而已，返回false。
            if (c == 0) {
                free = true;//
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

 总结

　　ReentrantLock是一种可重入的，可实现公平性的互斥锁，它的设计基于AQS框架，可重入和公平性的实现逻辑都不难理解，每重入一次，state就加1，当然在释放的时候，也得一层一层释放。至于公平性，在尝试获取锁的时候多了一个判断：是否有比自己申请早的线程在同步队列中等待，若有，去等待；若没有，才允许去抢占。