Java显式锁学习总结之四：ReentrantLock源码分析

概述

ReentrantLock，即重入锁，是一个和synchronized关键字等价的，支持线程重入的互斥锁。只是在synchronized已有功能基础上添加了一些扩展功能。

除了支持可中断获取锁、超时获取锁、非阻塞获取锁这些显示锁的常见功能外，ReentrantLock还支持公平锁(synchronized只支持非公平锁)。

下面分析源码时将聚焦重入和公平这两个功能点的实现。

结构总览

重入锁的大体结构如下：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
    static final class NonfairSync extends Sync {}
    static final class FairSync extends Sync {}
}

Sync类是AQS的子类，而NonfairSync和FairSync是Sync的子类。

公平锁和非公平锁的区别就在于获取锁时候的逻辑略有不同，其他操作都是一样的，因此公用的操作都放在Sync类里，NonfairSync和FairSync里只是实现自己的tryAcquire(int acquires)方法。

AQS里的state在重入锁里代表线程重入的次数，state=1代表重入锁当前已被某个线程独占，这个线程每重入一次，state++。因为state是int型变量，因此重入锁可以重入的最大次数是2^31-1。

重入实现

重入实现其实上边已经提到了，就是利用state状态表示重入次数，我们以非公平锁的代码为例看一下，下面是Sync类里的 nonfairTryAcquire(int acquires)方法 （上面我们说过，Sync类里是存放NonfairSync与FairSync的公用代码，那么这个nonfairTryAcquire方法为什么放到Sync里呢？我们后面会解释，不要急：）

        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //state为0代表当前锁没有线程持有，则让当前线程持有锁
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //如果锁被当前线程持有，则把state+acquires(就是1)
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // 如果state<0，说明超过了int最大值，溢出了
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc); // 这里不用CAS，因为锁已被当前线程独占
                return true;
            }
            return false;
        }

公平实现

公平锁的实现非常简单，其实就是一句代码，我们看一下FairSync类里的 tryAcquire(int acquires) 方法：

        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;
        }

    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());
    }

我们可以发现，这段代码与上面的 nonfairTryAcquire方法就只多了一句代码，而就是这一句代码就实现了公平锁。hasQueuedPredecessors()方法判断同步队列中是否有更早开始等待锁的线程。如果有，则tryAcquire方法直接返回false让当前线程进入同步队列排队。

特殊的tryLock

之前我们在将重入实现的时候说到，Sync类里有个诡异的nonfairTryAcquire方法，听名字是和非公平锁相关的，按道理应该放到NonfairSync类啊。之所以有这么别扭的设计是为了服务tryLock()方法。

看一下ReentrantLock类的tryLock方法的实现：

    public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }

可以看出，不管是公平锁还是非公平锁，调用的都是 nonfairTryAcquire 方法。

为什么这么实现呢？我们可以想一下tryLock() 的语义，tryLock() 要实现的效果是尝试获取一次锁，如果获取失败不阻塞而是直接返回false。如果在公平锁模式下严格按照公平锁的定义来实现这个方法，那么当同步队列中有其他线程等待的时候，tryLock()都不可能获取到锁，只能返回false。

而事实上，当我们调用tryLock()的时候，很多时候应该都是希望尽可能的成功的，而此时要不要让tryLock()的线程严格排队，其实不是那么重要，因此公平锁下tryLock()方法在获取锁时使用非公平获取模式，即可以插队。

那么如果我们在公平锁模式下就希望tryLock()方法获取锁严格排队呢？可以用tryLock(0, TimeUnit.SECONDS)，这个方法等效于一个严格排队的tryLock()方法，之所以等效，是因为tryLock(long timeout, TimeUnit unit)的实现是区分公平锁和非公平锁的，在公平锁的模式下，获取锁的操作是严格按同步队列排队等待的。

那么如果我们在公平锁模式下希望 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 不严格排队，表现的像一个支持超时的tryLock()呢？也是有办法的：

 if (lock.tryLock() || lock.tryLock(timeout, unit)) {
   ...
 }

可以这样组合一下，左边的tryLock()有机会插队获取一次锁，如果没获取到，在用tryLock(timeout, unit)做一次可超时的同步队列排队。

总结

有了前面对AQS的理解基础，现在再来看同步组件的实现，就如果快刀切西瓜！所以说，Doug Lea对AQS的设计真的非常巧妙，ReentrantLock没有用多少代码，就实现了一个加强版的synchronizer。