我們在之前介紹了併發程式設計的鎖機制：synchronized和lock，lock介面的重要實現類是可重入鎖ReentrantLock。而上一篇併發Lock之AQS（AbstractQueuedSynchronizer）詳解介紹了AQS，談到ReentrantLock，不得不談抽象類AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。AQS定義了一套多執行緒訪問共享資源的同步器框架，ReentrantLock的實現依賴於該同步器。本文在介紹過AQS，結合其具體的實現類ReentrantLock分析實現原理。
ReentrantLock類圖
ReentrantLock實現了Lock介面，內部有三個內部類，Sync、NonfairSync、FairSync，Sync是一個抽象型別，它繼承AbstractQueuedSynchronizer，這個AbstractQueuedSynchronizer是一個模板類，它實現了許多和鎖相關的功能，並提供了鉤子方法供使用者實現，比如tryAcquire，tryRelease等。Sync實現了AbstractQueuedSynchronizer的tryRelease方法。NonfairSync和FairSync兩個類繼承自Sync，實現了lock方法，公平搶佔和非公平搶佔針對tryAcquire有不同的實現。本文重點介紹ReentrantLock預設的實現，即非公平鎖的獲取鎖和釋放鎖的實現。
非公平鎖的lock方法
lock方法
- 在初始化ReentrantLock的時候，如果我們不傳引數，那麼預設使用非公平鎖，也就是NonfairSync。
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
複製程式碼- 當我們呼叫ReentrantLock的lock方法的時候，實際上是呼叫了NonfairSync的lock方法，這個方法先用CAS操作，去嘗試搶佔該鎖。如果成功，就把當前執行緒設定在這個鎖上，表示搶佔成功。如果失敗，則呼叫acquire模板方法，等待搶佔。程式碼如下：
static final class NonfairSync extends Sync {
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
複製程式碼- 上面呼叫
acquire(1)實際上使用的是AbstractQueuedSynchronizer的acquire方法，它是一套鎖搶佔的模板，總體原理是先去嘗試獲取鎖，如果沒有獲取成功，就在CLH佇列中增加一個當前執行緒的節點，表示等待搶佔。然後進入CLH佇列的搶佔模式，進入的時候也會去執行一次獲取鎖的操作，如果還是獲取不到，就呼叫LockSupport.park將當前執行緒掛起。那麼當前執行緒什麼時候會被喚醒呢？當持有鎖的那個執行緒呼叫unlock的時候，會將CLH佇列的頭節點的下一個節點上的執行緒喚醒，呼叫的是LockSupport.unpark方法。acquire程式碼比較簡單，具體如下：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
複製程式碼- acquire方法內部先使用tryAcquire這個鉤子方法去嘗試再次獲取鎖，這個方法在NonfairSync這個類中其實就是使用了nonfairTryAcquire，具體實現原理是先比較當前鎖的狀態是否是0，如果是0，則嘗試去原子搶佔這個鎖（設定狀態為1，然後把當前執行緒設定成獨佔執行緒），如果當前鎖的狀態不是0，就去比較當前執行緒和佔用鎖的執行緒是不是一個執行緒，如果是，會去增加狀態變數的值，從這裡看出可重入鎖之所以可重入，就是同一個執行緒可以反覆使用它佔用的鎖。如果以上兩種情況都不通過，則返回失敗false。程式碼如下：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
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- tryAcquire一旦返回false，就會則進入acquireQueued流程，也就是基於CLH佇列的搶佔模式
首先，在CLH鎖佇列尾部增加一個等待節點，這個節點儲存了當前執行緒，通過呼叫addWaiter實現，這裡需要考慮初始化的情況，在第一個等待節點進入的時候，需要初始化一個頭節點然後把當前節點加入到尾部，後續則直接在尾部加入節點就行了。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 初始化一個節點，這個節點儲存當前執行緒
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 當CLH佇列不為空的視乎，直接在佇列尾部插入一個節點
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 當CLH佇列為空的時候，呼叫enq方法初始化佇列
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // 初始化節點，頭尾都指向一個空節點
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {// 考慮併發初始化
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
複製程式碼- 將節點增加到CLH佇列後，進入acquireQueued方法。
首先，外層是一個無限for迴圈，如果當前節點是頭節點的下個節點，並且通過tryAcquire獲取到了鎖，說明頭節點已經釋放了鎖，當前執行緒是被頭節點那個執行緒喚醒的，這時候就可以將當前節點設定成頭節點，並且將failed標記設定成false，然後返回。至於上一個節點，它的next變數被設定為null，在下次GC的時候會清理掉。
如果本次迴圈沒有獲取到鎖，就進入執行緒掛起階段，也就是shouldParkAfterFailedAcquire這個方法。
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- 如果嘗試獲取鎖失敗，就會進入shouldParkAfterFailedAcquire方法，會判斷當前執行緒是否掛起，如果前一個節點已經是SIGNAL狀態，則當前執行緒需要掛起。如果前一個節點是取消狀態，則需要將取消節點從佇列移除。如果前一個節點狀態是其他狀態，則嘗試設定成SIGNAL狀態，並返回不需要掛起，從而進行第二次搶佔。完成上面的事後進入掛起階段。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
//
return true;
if (ws > 0) {
//
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
複製程式碼- 當進入掛起階段，會進入parkAndCheckInterrupt方法，則會呼叫LockSupport.park(this)將當前執行緒掛起。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
複製程式碼非公平鎖的unlock方法
- 呼叫unlock方法，其實是直接呼叫AbstractQueuedSynchronizer的release操作。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
複製程式碼- 進入release方法，內部先嚐試tryRelease操作,主要是去除鎖的獨佔執行緒，然後將狀態減一，這裡減一主要是考慮到可重入鎖可能自身會多次佔用鎖，只有當狀態變成0，才表示完全釋放了鎖。
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
複製程式碼- 一旦tryRelease成功，則將CHL佇列的頭節點的狀態設定為0，然後喚醒下一個非取消的節點執行緒。
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- 一旦下一個節點的執行緒被喚醒，被喚醒的執行緒就會進入acquireQueued程式碼流程中，去獲取鎖。
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
複製程式碼tryLock
在ReetrantLock的tryLock(long timeout, TimeUnit unit)提供了超時獲取鎖的功能。它的語義是在指定的時間內如果獲取到鎖就返回true，獲取不到則返回false。這種機制避免了執行緒無限期的等待鎖釋放。
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
複製程式碼具體看一下內部類裡面的方法tryAcquireNanos：
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
複製程式碼如果執行緒被中斷了，那麼直接丟擲InterruptedException。如果未中斷，先嚐試獲取鎖，獲取成功就直接返回，獲取失敗則進入doAcquireNanos。tryAcquire我們已經看過，這裡重點看一下doAcquireNanos做了什麼。
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
// 起始時間
long lastTime = System.nanoTime();
// 執行緒入隊
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
// 又是自旋!
for (;;) {
// 獲取前驅節點
final Node p = node.predecessor();
// 如果前驅是頭節點並且佔用鎖成功,則將當前節點變成頭結點
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
// 如果已經超時,返回false
if (nanosTimeout <= 0)
return false;
// 超時時間未到,且需要掛起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
// 阻塞當前執行緒直到超時時間到期
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
long now = System.nanoTime();
// 更新nanosTimeout
nanosTimeout -= now - lastTime;
lastTime = now;
if (Thread.interrupted())
//相應中斷
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
複製程式碼doAcquireNanos的流程簡述為：執行緒先入等待佇列，然後開始自旋，嘗試獲取鎖，獲取成功就返回，失敗則在佇列裡找一個安全點把自己掛起直到超時時間過期。這裡為什麼還需要迴圈呢？因為當前執行緒節點的前驅狀態可能不是SIGNAL，那麼在當前這一輪迴圈中執行緒不會被掛起，然後更新超時時間，開始新一輪的嘗試。
總結
ReentrantLock是可重入的鎖，其內部使用的就是獨佔模式的AQS。公平鎖和非公平鎖不同之處在於，公平鎖在獲取鎖的時候，不會先去檢查state狀態，而是直接執行aqcuire(1)。公平鎖多了hasQueuePredecessors這個方法，這個方法用於判斷CHL佇列中是否有節點，對於公平鎖，如果CHL佇列有節點，則新進入競爭的執行緒一定要在CHL上排隊，而非公平鎖則是無視CHL佇列中的節點，直接進行競爭搶佔，這就有可能導致CHL佇列上的節點永遠獲取不到鎖，這就是非公平鎖之所以不公平的原因，這裡不再贅述。
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