深入浅出ReentrantLock源码解析

ReentrantLock不但是可重入锁，而且还是公平或非公平锁，在工作中会经常使用到，将自己对这两种锁的理解记录下来，希望对大家有帮助。

前提条件

在理解ReentrantLock时需要具备一些基本的知识

理解AQS的实现原理

之前有写过一篇《深入浅出AQS源码解析》关于AQS的文章，对AQS原理不了解的同学可以先看一下

什么是可重入锁

当一个线程已经持有锁，如果该现在再次获取锁，是否可以获取成功？如果能获取成功则说明该锁是可重入的，否则是不可重入的

什么是公平锁和非公平锁

公平与非公平的一个很本质的区别就是，是否遵守FIFO（也就是先来后到）。当有多个线程来申请锁的时候，是否先申请的线程先获取锁，后申请的线程后获取锁？如果是的，则是公平锁，否则是非公平锁。

更准确地说，先申请锁的线程先获得锁竞争的权利。对于公平的排他锁而言，先申请锁的线程会先获取锁，但是对于公平的共享锁而言，先申请锁的线程会先拥有获取锁竞争的权利，其他等待共享锁的线程也会被唤醒，有可能后唤醒的线程先获取锁。

ReentrantLock 源码解析

ReentrantLock的功能主要是通过3个内部类Sync、FairSync和NonfairSync来实现的，这3个内部类继承了AbstractQueuedSynchronizer，其中FairSync和NonfairSync类继承了Sync，接下来我们一一解读这几个内部类。

ReentrantLock.Sync类源码解析

由于ReentrantLock.Sync类中的核心代码比较少，原理也比较简单，所以就直接在代码中通过详细注释的方式来解读

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

    /**
     * 定义了一个抽象方法，用来获取锁
     */
    abstract void lock();

    /**
     * NonfairSync中tryAcquire和、ReentrantLock.tryLock会使用到
     * 重要功能：快速尝试获取锁，如果能够获取锁返回true，否则返回false
     * 在尝试获取锁的过程中，不会阻塞当前线程，一般情况下是当前线程已经持有锁时
     * 才有可能是可以直接获取锁，这也是可重入功能的核心实现
     */
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        // 获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        /**
         * state是AQS对外提供的一个变量，让不同的实现类可以通过这个变量
         * 来控制锁被线程获取锁的次数
         */
        int c = getState();
        // 当state为0表示该锁是没有被任何线程持有
        if (c == 0) {
           /**
            * CAS操作如果成功，说明当前线程竞争到了锁资源，
            * 否则被其他线程竞争到了，当前线程需要进入AQS的同步队列
            * 对于尝试修改state的值的线程可以同时是多个，
            * 他们之间没有先后顺序，这也是非公平的重要体现
            */
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
              /**
                * 当前线程已经持有锁了，设置锁的占有者
                */
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
      /**
        * 如果持有锁的线程是当前线程，可以继续尝试获取锁
        * 这也是可重入的重要体现
        */
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
           /**
            * state是int类型，也就是可重入次数不能低于Integer.MAX_VALUE
            */
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
           /**
            * 获取锁以后直接设置state的值
            */
            setState(nextc);
            return true;
        }
       /**
        * 如果一个线程既不是第一次获取锁，又不是已经获取锁，
        * 则该线程无法获取锁，需要进入AQS的同步队列排队
        */
        return false;
    }

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
       /**
        * 计算释放releases个资源后state的值
        */
        int c = getState() - releases;
       /**
        * 持有锁的线程如果不是当前线程，无法释放资源
        */
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
       /**
        * 当所有的资源全部释放掉（c=0）时，锁的持有者需要设置为null，
        * 让后续线程可以来竞争锁
        */
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
       /**
        * 修改state的状态
        */
        setState(c);
        return free;
    }

    protected final boolean isHeldExclusively() {
        /**
        * 当前线程是否持有锁
        */
        return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
    }

ReentrantLock.NonfairSync类源码解析

static final class NonfairSync extends Sync {
    /**
     * 非公平锁，对外获取锁的步骤：
     * 首先，尝试修改state的状态（从0修改成1），如果修改成功说明当前没有任何线程持有锁
     * 如果线程获取到锁，则把锁的持有线程设置为当前线程
     * 如果无法获取锁，说明锁已经被线程持有，有两种情况：
     * 情况1：持有锁的线程是当前线程，可以走可重入的流程
     * 情况2：持有锁的线程不是当前线程，需要进入AQS去排队
     */
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

    /**
     * 尝试快速获取锁
     */
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

ReentrantLock.FairSync类源码解析

static final class FairSync extends Sync {
    /**
     * 阻塞方式获取锁
     */
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    /**
     * 尝试获取公平锁，与上面分析的nonfairTryAcquire方法很类似，
     * 重点描述彼此之间的区别
     */
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            /**
             * 公平锁与非公平锁很大的一个区别是：
             * 在尝试获取锁的时候，如果AQS的同步队列中有其他线程在等待获取锁
             * 则尝试获取锁失败，需要进入AQS的同步队列排队
             * hasQueuedPredecessors方法判断AQS的同步队列是否有线程在等待
             */
            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;
    }
}

ReentrantLock类源码解析

ReentrantLock类的实现方式比较简单，主要是依靠NonfairSync和FairSync实现的功能

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {

    private final Sync sync;

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

    /**
     * 获取锁，获取的时候申请1个资源
     */
    public void lock() {
        sync.lock();
    }

    /**
     * 可中断的方式获取锁
     */
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    /**
     *
     * 尝试获取锁，公平锁和非公平锁都是直接去尝试获取锁
     * 一般在使用该方法的时候，如果尝试获取锁失败，会有后续操作，
     * 可能是直接调用lock以阻塞的方式来获取锁
     */
    public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }

    /**
     * 带有超时时间的方式尝试获取锁
     */
    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

    /**
     * 释放锁，释放掉1个资源
     */
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
}

小结

• 对于已经持有锁的线程，优先申请到资源
• 对与没有持有锁的线程，需要等待持有锁的线程释放掉所有资源，包括可重入时申请到的资源
• 公平锁在申请资源的时候要先检查AQS同步队列中是否有等待的线程，也就线程获取锁是按照FIFO的方式