16.ReentrantLock全解讀

王有志發表於2023-05-06

大家好，我是王有志，歡迎和我聊技術，聊漂泊在外的生活。快來加入我們的Java提桶跑路群：共同富裕的Java人。

經歷了AQS的前世和今生後，我們已經知道AQS是Java中提供同步狀態原子管理，執行緒阻塞/喚醒，以及執行緒排隊功能的同步器基礎框架。那麼我們今天就來學習透過AQS實現的ReentrantLock。按照慣例，先來看3道關於ReentrantLock的常見面試題：

什麼是ReentrantLock?
ReentrantLock內部原理是怎樣的？如何實現可重入性？
ReentrantLock和synchronized有什麼區別？該如何選擇？

接下來，我會盡可能的透過剖析原始碼的方式為大家解答以上的題目。

ReentrantLock是什麼？

ReentrantLock譯為可重入鎖，在《一文看懂併發程式設計中的鎖》中我們解釋過鎖的可重入特性：同一執行緒可以多次加鎖，即可以重複進入被鎖定的邏輯中。

Doug Lea是這樣描述ReentrantLock的：

A reentrant mutual exclusion {@link Lock} with the same basic behavior and semantics as the implicit monitor lock accessed using {@code synchronized} methods and statements, but with extended capabilities.

“A reentrant mutual exclusion Lock”說明ReentrantLock除了具有可重入的特性，還是一把互斥鎖。接著看後面的內容，ReentrantLock與使用synchronized方法/語句有相同的基本行為和語義。最後的" but with extended capabilities"則表明了ReentrantLock具有更好的擴充能力。

那麼可重入互斥鎖就是ReentrantLock的全部嗎？別急，我們接著往後看：

The constructor for this class accepts an optional fairness parameter. When set true, under contention, locks favor granting access to the longest-waiting thread. Otherwise this lock does not guarantee any particular access order.

ReentrantLock提供了公平/非公平兩種模式，預設非公平模式，可以透過構造器引數指定公平模式。

好了，目前為止我們已經對ReentrantLock有了比較清晰的認知了，按照《一文看懂併發程式設計中的鎖》中的分類，ReentrantLock本質是互斥鎖，具有可重入特性，此外ReentrantLock還實現了公平和非公平兩種模式。

ReentrantLock怎麼用？

ReentrantLocak的使用非常簡單：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
// 業務邏輯
lock.unlock();

透過無參構造器建立ReentrantLock物件後，呼叫lock和unlock進行加鎖和解鎖的操作。除了無參構造器外，ReentrantLock還提供了一個有參構造器：

// 無參構造器
public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}

// 有參構造器
public ReentrantLock(boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

FairSync和NonfairSync是ReentrantLock的內部類，可以透過構造器來指定ReentrantLock的公平模式或非公平模式。具體實現我們先按下不表，先來看ReentrantLock中提供的其它方法。

加鎖方法

除了常用的lock外，ReentrantLock還提供了3個加鎖方法：

// 嘗試獲取鎖
public boolean tryLock();

// 嘗試獲取鎖，否則排隊等候指定時間
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

// 嘗試獲取鎖
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

tryLock直接嘗試獲取鎖，特點在於競爭失敗時直接返回false，不會進入佇列等待。過載方法tryLock(long timeout, TimeUnit unit)增加的在佇列中的最大等待時間，如果鎖競爭失敗，會加入到等待佇列中，再次嘗試獲取鎖，直到超時或中斷。

lockInterruptibly的特點是，呼叫thread.interrupt中斷執行緒後丟擲InterruptedException異常，結束競爭。雖然lock也允許中斷執行緒，但它並不會丟擲異常。

其他方法

除了常用的加鎖方法外，ReentrantLock還提供了用於分析鎖的方法：

方法宣告	作用
`public int getHoldCount()`	返回當前執行緒持有鎖的次數，即當前執行緒重入鎖的次數
`public final int getQueueLength()`	返回等待獲取鎖的執行緒數量估算值
`public final boolean hasQueuedThread(Thread thread)`	查詢當前執行緒是否在等待獲取鎖
`public final boolean hasQueuedThreads()`	是否有執行緒在等待獲取鎖
`public final boolean isFair()`	是否為公平鎖
`public boolean isHeldByCurrentThread()`	當前執行緒是否持有鎖
`public boolean isLocked()`	鎖是否被執行緒持有，即鎖是否被使用
`public Condition newCondition()`	建立條件物件
`public int getWaitQueueLength(Condition condition)`	等待在該條件上的執行緒數量
`public boolean hasWaiters`	是否有執行緒在等待在該條件上

ReentrantLock原始碼分析

接下來，我們透過原始碼來分析ReentrantLock的公平/非公平模式，以及重入性的實現原理，並對比不同的加鎖方法的實現差異。

ReentrantLock的結構

我們先來來瞭解下ReentrantLock的結構：

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

  private final Sync sync;
  
  // 同步器
  abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
  
  // 非公平模式同步器
  static final class NonfairSync extends Sync {}
  
  // 公平模式同步器
  static final class FairSync extends Sync {}
}

ReentrantLock僅僅實現了Lock介面，並沒有直接繼承AbstractQueuedSynchronizer，其內部類Sync繼承AbstractQueuedSynchronizer，並提供了FairSync和NonfairSync兩種實現，分別是公平鎖和非公平鎖。

公平/非公平模式

我們已經知道，可以指定不同的引數來建立公平/非公平模式的ReentrantLock，反應到原始碼中是使用不同的Sync的實現類：

public ReentrantLock(boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

並且在加鎖/解鎖操作中，均由Sync的實現類完成，ReentrantLock只是對Lock介面的實現：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void lock() {
    sync.acquire(1);
  }
  
  public void unlock() {
    sync.release(1);
  }
}

先來回想下《AQS的今生，構建出JUC的基礎》中的acquire方法：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  
  public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
      selfInterrupt();
    }
  }
}

AQS自身僅實現了將執行緒新增到等待佇列中的acquireQueued方法，而預留了獲取鎖的tryAcquire方法。

那麼我們不難想到，ReentrantLock的作用機制：繼承自AQS的Sync，實現了tryAcquire方法來獲取鎖，並藉助AQS的acquireQueued實現排隊的功能，而ReentrantLock的公平與否，與tryAcquire的實現方式是息息相關的。

公平鎖FairSync

FairSync非常簡單，僅做了tryAcquire方法的實現：

static final class FairSync extends Sync {
  @ReservedStackAccess
  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 獲取同步狀態，AQS實現
    int c = getState();
    // 判斷同步狀態
    // c == 0時，表示沒有執行緒持有鎖
    // c != 0時，表示有執行緒持有鎖
    if (c == 0) {
      // hasQueuedPredecessors判斷是否有已經在等待鎖的執行緒
      if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
      }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
      // 執行緒重入，同步狀態+1
      int nextc = c + acquires;
      if (nextc < 0) {
        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
      }
      // 更新同步狀態
      setState(nextc);
      return true;
    }
    return false;
  }
}

當c == 0時，鎖未被任何執行緒持有，透過hasQueuedPredecessors判斷是否已經有等待鎖的執行緒，如果沒有正在等待的執行緒，則透過compareAndSetState(0, acquires)嘗試替換同步狀態來獲取鎖；當c != 0時，鎖已經被執行緒持有，透過current == getExclusiveOwnerThread判斷是否為當前執行緒持有，如果是則認為是重入，執行int nextc = c + acquires，更新同步狀態setState(nextc)，並返回成功。

FairSync的公平性體現在獲取鎖前先執行hasQueuedPredecessors，確認是否已經有執行緒在等待鎖，如果有則tryAcquire執行失敗，默默的執行AQS的acquireQueued加入等待佇列中即可。

非公平鎖NonfairSync

NonfairSync也只是做了tryAcquire的實現，而且還只是掉用了父類的nonfairTryAcquire方法：

static final class NonfairSync extends Sync {
  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
  }
}

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  
  @ReservedStackAccess
  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) {
        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
      }
      setState(nextc);
      return true;
    }
    return false;
  }
}

nonfairTryAcquire與FairSync#tryAcquire簡直是一模一樣，忽略方法宣告，唯一的差別就在於，當c == 0時，nonfairTryAcquire並不會呼叫hasQueuedPredecessors確認是否有執行緒正在等待獲取鎖，而是直接透過compareAndSetState(0, acquires)嘗試替換同步狀態來獲取鎖。

NonfairSync的不公平體現在獲取鎖前不會不會確認是否有執行緒正在等待鎖，而是直接獲取鎖，如果獲取失敗，依舊會執行AQS的acquireQueued加入等待佇列。

可重入性的實現

《AQS的今生，構建出JUC的基礎》中，提到過ReentrantLock的重入性依賴於同步狀態state作為計數器的特性實現，在公平鎖FairSync和非公平鎖NonfairSync的實現中我們也看到，執行緒重入時會執行同步狀態+1的操作：

int nextc = c + acquires;
setState(nextc);

既然lock操作中有同步狀態+1的操作，那麼unlock操作中就一定有同步狀態-1的操作：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void unlock() {
    sync.release(1);
  }
  
  abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    @ReservedStackAccess
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
      // 執行緒退出，同步狀態-1
      int c = getState() - releases;
      if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
      }
      boolean free = false;
      if (c == 0) {
        // 同步狀態為0，鎖未被持有，釋放獨佔鎖
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
      }
      setState(c);
      return free;
    }
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
      Node h = head;
      if (h != null && h.waitStatus != 0){
        unparkSuccessor(h);
      }
      return true;
    }
    return false;
  }
}

tryRelease的實現並不複雜，同步狀態-1後，如果同步狀態為0，表示鎖未被持有，修改鎖的獨佔執行緒，然後更新同步狀態。

我們再來看ReentrantLock的可重入性的實現，是不是非常簡單了？判斷是否是執行緒重入依賴的是getExclusiveOwnerThread方法，獲取當前獨佔鎖的執行緒，記錄重入次數依賴的是同步狀態作為計數器的特性。

現在能夠理解為什麼ReentrantLock中lock要與unlock操作成對出現了吧？最後，提個小問題，為什麼lock和unlock操作中，只有當c == 0時的lock操作需要使用CAS？

加鎖方法的差異

我們前面已經瞭解過ReentrantLock提供的4個加鎖方法了，分別是：

public void lock()，最常用的加鎖方法，允許中斷，但不會丟擲異常，加鎖失敗進入等待佇列；
public void lockInterruptibly()，允許中斷，丟擲InterruptedException異常，加鎖失敗進入佇列直到被喚醒或者被中斷；
public boolean tryLock()，嘗試直接加鎖，加鎖失敗不會進入佇列，而是直接返回false；
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)，嘗試直接加鎖，中斷時丟擲InterruptedException異常，加鎖失敗進入佇列，直到指定時間內加鎖成功，或者超時。

lock與lockInterruptibly

lock方法的呼叫：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void lock() {
    sync.acquire(1);
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
      selfInterrupt();
    }
  }
}

lockInterruptibly方法的呼叫：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    sync.acquireInterruptibly(1);
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) {
      throw new InterruptedException();
    }
    
    if (!tryAcquire(arg)) {
      doAcquireInterruptibly(arg);
    }
  }
}

可以看到，差異主要體現在acquireQueued和doAcquireInterruptibly的實現上：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
  boolean interrupted = false;
  try {
    for (;;) {
      final Node p = node.predecessor();
      if (p == head && tryAcquire(arg)) {
        setHead(node);
        p.next = null;
        return interrupted;
      }
      // 當parkAndCheckInterrupt為true時，修改interrupted標記為中斷
      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))
        interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
    }
  } catch (Throwable t) {
    cancelAcquire(node);
    if (interrupted)
      selfInterrupt();
    throw t;
  }
}

private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
  try {
    for (;;) {
      final Node p = node.predecessor();
      if (p == head && tryAcquire(arg)) {
        setHead(node);
        p.next = null;
        return;
      }
      // 當parkAndCheckInterrupt為true時，丟擲異常
      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
        throw new InterruptedException();
    }
  } catch (Throwable t) {
    cancelAcquire(node);
    throw t;
  }
}

從原始碼上來看，差異體現在對parkAndCheckInterrupt結果的處理方式上，acquireQueued只標記中斷狀態，而doAcquireInterruptibly直接丟擲異常。

tryLock與它的過載方法

public boolean tryLock()的實現非常簡單：

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

直接呼叫Sync#nonfairTryAcquire，在前面非公平鎖的內容中我們已經知道nonfairTryAcquire只是進行了一次非公平的加鎖嘗試，如果沒有呼叫AQS的acquireQueued不會加入到等待佇列中。

tryLock的過載方法也並不複雜，按照之前的習慣，應該是有著特殊的acquireQueued實現：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
  public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
  }
}

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
  public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) {
      throw new InterruptedException();
    }
    return tryAcquire(arg) || doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
  }
  
  private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (nanosTimeout <= 0L)
      return false;
    // 計算超時時間
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    try {
      for (;;) {
        final Node p = node.predecessor();
        if (p == head && tryAcquire(arg)) {
          setHead(node);
          p.next = null;
          return true;
        }
        // 判斷超時時間
        nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        if (nanosTimeout <= 0L) {
          cancelAcquire(node);
          return false;
        }
        
        // 呼叫LockSupport.parkNanos暫停指定時間
        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && nanosTimeout > SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD)
          LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
        
        // 執行緒中斷丟擲異常
        if (Thread.interrupted())
          throw new InterruptedException();
      }
    } catch (Throwable t) {
      cancelAcquire(node);
      throw t;
    }
  }
}

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)的特性依賴於LockSupport.parkNanos暫停執行緒指定時間的能力。另外，我們可以注意到在判斷是否需要park時，對nanosTimeout與SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD的判斷：

當nanosTimeout > SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD時，認為一次park和upark對效能的影響小於自旋nanosTimeout納秒；
當nanosTimeout < SPIN_FOR_TIMEOUT_THRESHOLD時，認為一次park和upark對效能的影響大於自旋nanosTimeout納秒。

到這裡我們就把4個加鎖方法的差異講完了，大體邏輯是相似的（如，喚醒頭節點），只是為了實現某些特性新增了一些細節，大家可以認真閱讀原始碼，很容易就能看出差異。

結語

關於ReentrantLock的內容到這裡就結束了，因為已經把AQS的部分單獨拆了出來，所以今天並沒有太複雜的內容。大家的重點可以放在ReentrantLock是如何藉助AQS實現公平/非公平模式，以及可重入的特性上，諸如getHoldCount，isFair這類方法，相信大家已經能夠想象到是如何實現的了，可以結合原始碼驗證自己的想法。

最後，希望今天的內容能夠幫助你更清晰的理解ReentrantLock，如果文章中出現錯誤，也希望大家不吝賜教。

好了，今天就到這裡了，Bye~~

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