使用 synchronize 來做同步處理時，鎖的獲取和釋放都是隱式的，實現的原理是通過編譯後加上不同的機器指令來實現。
而 ReentrantLock 就是一個普通的類，它是基於 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)來實現的。
是一個重入鎖：一個執行緒獲得了鎖之後仍然可以反覆的加鎖，不會出現自己阻塞自己的情況。
AQS是Java併發包裡實現鎖、同步的一個重要的基礎框架。
鎖型別
ReentrantLock 分為公平鎖和非公平鎖，可以通過構造方法來指定具體型別：
//預設非公平鎖
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
//公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
複製程式碼預設一般使用非公平鎖，它的效率和吞吐量都比公平鎖高的多(後面會分析具體原因)。
獲取鎖
通常的使用方式如下:
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run() {
lock.lock();
try {
//do bussiness
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
複製程式碼公平鎖獲取鎖
首先看下獲取鎖的過程：
public void lock() {
sync.lock();
}
複製程式碼可以看到是使用 sync的方法，而這個方法是一個抽象方法，具體是由其子類(FairSync)來實現的，以下是公平鎖的實現:
final void lock() {
acquire(1);
}
//AbstractQueuedSynchronizer 中的 acquire()
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
複製程式碼第一步是嘗試獲取鎖(tryAcquire(arg)),這個也是由其子類實現：
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;
}
}
複製程式碼首先會判斷 AQS 中的 state 是否等於 0，0 表示目前沒有其他執行緒獲得鎖，當前執行緒就可以嘗試獲取鎖。
注意:嘗試之前會利用 hasQueuedPredecessors() 方法來判斷 AQS 的佇列中中是否有其他執行緒，如果有則不會嘗試獲取鎖(這是公平鎖特有的情況)。
如果佇列中沒有執行緒就利用 CAS 來將 AQS 中的 state 修改為1，也就是獲取鎖，獲取成功則將當前執行緒置為獲得鎖的獨佔執行緒(setExclusiveOwnerThread(current))。
如果 state 大於 0 時，說明鎖已經被獲取了，則需要判斷獲取鎖的執行緒是否為當前執行緒(ReentrantLock 支援重入)，是則需要將 state + 1，並將值更新。
寫入佇列
如果 tryAcquire(arg) 獲取鎖失敗，則需要用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 將當前執行緒寫入佇列中。
寫入之前需要將當前執行緒包裝為一個 Node 物件(addWaiter(Node.EXCLUSIVE))。
AQS 中的佇列是由 Node 節點組成的雙向連結串列實現的。
包裝程式碼:
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
複製程式碼首先判斷佇列是否為空，不為空時則將封裝好的 Node 利用 CAS 寫入隊尾，如果出現併發寫入失敗就需要呼叫 enq(node); 來寫入了。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
複製程式碼這個處理邏輯就相當於自旋加上 CAS 保證一定能寫入佇列。
掛起等待執行緒
寫入佇列之後需要將當前執行緒掛起(利用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
複製程式碼首先會根據 node.predecessor() 獲取到上一個節點是否為頭節點，如果是則嘗試獲取一次鎖，獲取成功就萬事大吉了。
如果不是頭節點，或者獲取鎖失敗，則會根據上一個節點的 waitStatus 狀態來處理(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))。
waitStatus 用於記錄當前節點的狀態，如節點取消、節點等待等。
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 返回當前執行緒是否需要掛起，如果需要則呼叫 parkAndCheckInterrupt()：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
複製程式碼他是利用 LockSupport 的 part 方法來掛起當前執行緒的，直到被喚醒。
非公平鎖獲取鎖
公平鎖與非公平鎖的差異主要在獲取鎖：
公平鎖就相當於買票，後來的人需要排到隊尾依次買票，不能插隊。
而非公平鎖則沒有這些規則，是搶佔模式，每來一個人不會去管佇列如何，直接嘗試獲取鎖。
非公平鎖:
final void lock() {
//直接嘗試獲取鎖
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
複製程式碼公平鎖:
final void lock() {
acquire(1);
}
複製程式碼還要一個重要的區別是在嘗試獲取鎖時tryAcquire(arg)，非公平鎖是不需要判斷佇列中是否還有其他執行緒，也是直接嘗試獲取鎖：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
//沒有 !hasQueuedPredecessors() 判斷
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
複製程式碼釋放鎖
公平鎖和非公平鎖的釋放流程都是一樣的：
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//喚醒被掛起的執行緒
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//嘗試釋放鎖
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
複製程式碼首先會判斷當前執行緒是否為獲得鎖的執行緒，由於是重入鎖所以需要將 state 減到 0 才認為完全釋放鎖。
釋放之後需要呼叫 unparkSuccessor(h) 來喚醒被掛起的執行緒。
總結
由於公平鎖需要關心佇列的情況，得按照佇列裡的先後順序來獲取鎖(會造成大量的執行緒上下文切換)，而非公平鎖則沒有這個限制。
所以也就能解釋非公平鎖的效率會被公平鎖更高。
號外
最近在總結一些 Java 相關的知識點，感興趣的朋友可以一起維護。