详解Java中的ReentrantLock锁
作者：Narule
ReentrantLock锁
ReentrantLock是Java中常用的锁，属于乐观锁类型，多线程并发情况下。能保证共享数据安全性，线程间有序性
ReentrantLock通过原子操作和阻塞实现锁原理，一般使用lock获取锁，unlock释放锁，
下面说一下锁的基本使用和底层基本实现原理，lock和unlock底层
lock的时候可能被其他线程获得所，那么此线程会阻塞自己，关键原理底层用到Unsafe类的API: CAS和park
使用
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock类
在多线程环境下使用，创建锁对象，调用lock()获取锁开始处理逻辑，处理完unlock()释放锁。注意使用的时候lock和unlock必须成对出现，不然可能出现死锁或者严重堵塞的情况
unlock
//创建锁对象
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock(); //获取锁（锁定）
System.out.println("一段需要上锁的代码")
lock.unlock(); //锁释放
执行完代码后，释放锁，让其他线程去获取，需要注意的是，多个线程使用的锁对象必须是同一个。
什么情况需要上锁，就是在多线程不安全的情况下，多个线程操作同一个对象。
如多个线程同时操作一个队列，offer()添加对象，两个线程同时offer，因为不是原子操作，很可能一个线程添加成功，另一个线程添加失败，延伸到一些业务中是要杜绝的问题。可以用锁解决问题，我们可以定义一个队列同一时间只能被一个拿到锁的线程操作，即保证offer这种非原子操作完成后，释放锁，再让其他线程拿到锁后，才能offer，保证有序的offer，不会丢失信息。
示例
为了体现锁的作用，这里sleep睡眠0.1秒，增加哪个线程获取锁的随机性
因为线程唤醒后，会开始尝试获取锁，多个线程下竞争一把锁是随机的
package javabasis.threads;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockTest implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//创建锁对象
private int thold;
public LockTest(int h) {
this.thold = h;
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 10; i < 15; i++) {
new Thread(new LockTest(i),"name-" + i).start();
}
}
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(100);
lock.lock(); //获取锁
System.out.println("lock threadName:" + Thread.currentThread().getName());
{
System.out.print(" writeStart ");
for (int i = 0; i < 15; i++) {
Thread.sleep(100);
System.out.print(thold+",");
}
System.out.println(" writeEnd");
}
System.out.println("unlock threadName:" + Thread.currentThread().getName() + "\r\n");
lock.unlock(); //锁释放
} catch (InterruptedException e) {
}
}
}
运行main方法输出结果：
lock threadName:name-10 writeStart 10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10, writeEnd unlock threadName:name-10 lock threadName:name-14 writeStart 14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14, writeEnd unlock threadName:name-14 lock threadName:name-13 writeStart 13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13, writeEnd unlock threadName:name-13 lock threadName:name-11 writeStart 11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11, writeEnd unlock threadName:name-11 lock threadName:name-12 writeStart 12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12, writeEnd unlock threadName:name-12
这体现在多线程情况下，锁能做到让线程之间有序运行，
如果没有锁，情况可能是 12,13,13,10,10,10,12，没有锁其他线程可能插队执行System.out.print
将上锁的代码注释后输出结果：
lock threadName:name-11 lock threadName:name-12 writeStart lock threadName:name-10 writeStart lock threadName:name-13 writeStart lock threadName:name-14 writeStart writeStart 14,12,10,11,13,11,12,14,10,13,10,13,14,12,11,10,14,12,11,13,14,11,13,12,10,13,10,12,14,11,11,13,10,12,14,14,10,12,11,13,11,14,13,12,10,14,10,11,13,12,14,12,11,13,10,14,10,11,12,13,12,14,11,13,10,11,10,14,13,12,11, writeEnd unlock threadName:name-11 13,12, writeEnd unlock threadName:name-12 writeEnd unlock threadName:name-13 14, writeEnd unlock threadName:name-14 10, writeEnd unlock threadName:name-10
原理
ReentrantLock主要用到unsafe的CAS和park两个功能实现锁（CAS + park ）
多个线程同时操作一个数N，使用原子（CAS）操作，原子操作能保证同一时间只能被一个线程修改，而修改数N成功后，返回true，其他线程修改失败，返回false，
这个原子操作可以定义线程是否拿到锁，返回true代表获取锁，返回false代表为没有拿到锁。
拿到锁的线程，自然是继续执行后续逻辑代码，而没有拿到锁的线程，则调用park，将线程（自己）阻塞。
线程阻塞需要其他线程唤醒，ReentrantLock中用到了链表用于存放等待或者阻塞的线程，每次线程阻塞，先将自己的线程信息放入链表尾部，再阻塞自己；之后需要拿到锁的线程，在调用unlock 释放锁时，从链表中获取阻塞线程，调用unpark 唤醒指定线程
Unsafe
sun.misc.Unsafe是关键类，提供大量偏底层的API 包括CAS park
sun.misc.Unsafe 此类在openjdk中可以查看
CAS 原子操作
compare and swapz(CAS)比较并交换，是原子性操作，
原理：当修改一个(内存中的)变量o的值N的时候，首先有个期望值expected，和一个更新值x，先比较N是否等于expected，等于，那么更新内存中的值为x值，否则不更新。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
这里offset据了解，是对象的成员变量在内存中的偏移地址，
即底层一个对象object存放在内存中，读取的地址是0x2110，此对象的一个成员变量state的值也在内存中，但内存地址肯定不是0x2110
java中的CAS使用
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 类
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;
static {
try {
stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state")); //获取成员变量state在内存中的偏移量
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
在Java中，compareAndSetState这个操作如果更新成功，返回true,失败返回false，通过这个机制，可以定义锁（乐观锁）。
如三个线程A，B，C，在目标值为0的情况下，同时执行compareAndSetState(0,1) 去修改它
期望值是0，更新值是1，因为是原子操作，在第一个线程操作成功之后目标值变为1，返回true
所以另外两个线程就因为期望值为0不等于1，返回false。
我们可以理解为，返回true的线程拿到了锁。
最终调用的Java类是sun.misc.Unsafe
park 阻塞
Java中可以通过unsafe.park()去阻塞（停止）一个线程，也可以通过unsafe.unpark()让一个阻塞线程恢复继续执行
unsafe.park()
阻塞(停止)当前线程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
根据debug测试，此方法能停止线程自己，最后通过其他线程唤醒
unsafe.unpark()
取消阻塞(唤醒)线程
public native void unpark(Object thread);
根据debug测试，此方法可以唤醒其他被park调用阻塞的线程
park与interrupt的区别
interrupt是Thread类的的API，park是Unsafe类的API，两者是有区别的。
测试了解，Thread.currentThread().interrupt(),线程会继续运行，而Unsafe.park(Thread.currentThread())就是直接阻塞线程，不继续运行代码。
获取锁
线程cas操作失败，可以park阻塞自己，让其他拥有锁的线程在unlock的时候释放自己，达到锁的效果
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock的lock方法是
public void lock() {
sync.lock();
}
而sync的实现类其中一个是java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync 不公平锁，它的逻辑比较直接
/**
NonfairSync
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//cas操作，如果true 则表示操作成功，获取锁
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); //设置获取锁拥有者为当前线程
else
acquire(1);//获取锁失败，锁住线程(自己)
}
获取失败后阻塞线程
如果获取锁失败，会再尝试一次，失败后，将线程（自己）阻塞
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
//如果期望值为0，内存值也为0，再次尝试获取锁（此时其他线程也可能尝试获取锁）
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current); //第二次获取成功，放回true
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; //没有获取到锁，返回false，则 !tryAcquire(arg) 为true，执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
}
获取锁失败，线程会进入循环，acquireQueued 方法中for是个无限循环，除非获取锁成功后，才会return。
//获取锁失败后，准备阻塞线程（自己）
//阻塞之前，添加节点存放到链表，其他线程可以通过这个链表唤醒此线程
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)) {//cas操作
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
// 在此方法直到获取锁成功才会跳出循环
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; //获取锁成功之后才会return跳出此方法
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //如果满足阻塞条件
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);//停止线程（自己）
return Thread.interrupted();
}
释放锁
一个线程拿到锁之后，执行完关键代码，必须unlock释放锁的，否则其他线程永远拿不到锁
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync 的tryRelease
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; //这里一般是 1 - 1 = 0
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //只能是锁的拥有者释放锁
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c); //设置state为0，相当于释放锁，让其他线程compareAndSetState(0, 1)可能成功
return free;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState; //没有cas操作
}
setState不做cas操作是因为，只有拥有锁的线程才调用unlock，不存才并发混乱问题
其他线程没拿到锁不会设值成功，其他线程在此线程设置state为0之前，compareAndSetState(0, 1)都会失败，拿不到锁，此线程设置state为0之后，其他线程compareAndSetState(0, 1)才有可能成功，返回true从而拿到锁
释放线程
线程在获取锁失败后，有可能阻塞线程（自己），在阻塞之前把阻塞线程信息放入链表的
释放锁之后，线程会尝试通过链表释放其他线程（一个），让一个阻塞线程恢复运行
阻塞线程被取消阻塞后如何拿到锁(ReentrantLock中)
有时候线程被中断后，唤醒继续执行后面的代码，
线程没有拿到锁之后主动阻塞自己的，但所还没拿到，被唤醒之后怎么去尝试重新获取锁呢？ 里面有一个for循环
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//拿到锁
else
acquire(1); //没有拿到锁
}
// 上锁失败，会添加一个节点，节点包含线程信息，将此节点放入队列
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
// 存好节点后，将线程（自己）中断，等其他线程唤醒（自己）
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {//循环 被唤醒后线程还是在此处循环
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//尝试获取锁
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted; //如果拿到锁了，才会return
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt()) //没拿到锁时，主动中断Thread.currentThread()
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
被唤醒后继续执行compareAndSetState(0, 1)返回false没拿到锁，则继续循环或阻塞
compareAndSetState(0, 1) 这个操作是获取锁的关键
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