深度解析Java中的ReentrantLock原理
作者：我是小趴菜
这篇文章主要介绍了关于ReentrantLock的原理解析，文章通过代码示例介绍的非常详细，具有一定的参考价值,需要的朋友可以参考下
在高并发编程中，AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）抽象的队列同步器是我们必须掌握的，AQS底层提供了二种锁模式
- 独占锁：ReentrantLock就是基于独占锁模式实现的
- 共享锁：CountDownLatch,ReadWriteLock,Semplere都是基于共享锁模式实现的
接下来我们通过ReentrantLock底层实现原理来了解AQS独占锁模式的实现原理
ReentrantLock用法
我们创建三个线程去获取资源，然后执行业务逻辑
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
new Thread(() -> {
try{
lock.lock();
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
}catch (Exception e){
}finally {
lock.unlock();
}
},"t1").start();
new Thread(() -> {
try{
lock.lock();
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
}catch (Exception e){
}finally {
lock.unlock();
}
},"t2").start();
new Thread(() -> {
try{
lock.lock();
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
}catch (Exception e){
}finally {
lock.unlock();
}
},"t3").start();首先分析一下获取锁的原理，也就是 lock.lock()方法
public void lock() {
//继续进入这个方法
sync.lock();
}进入这个方法的时候有两个实现类，一个是公平锁FairSync，还有一个就是非公平锁NonfairSync，由于非公平锁比公平锁复杂，所以我们先分析非公平锁的原理
final void lock() {
//这里就会尝试去获取锁，如果成功获取到了锁，此时state的值就会从0变成1
if (compareAndSetState(0, 1))
//就把exclusiveOwnerThread的值设置成当前线程
//exclusiveOwnerThread是AQS里面的一个变量，也就是线程获取到了锁之后，就会把这个值设置成当前线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
// 如果没有获取到锁，就执行下面这个方法
acquire(1);
}进入这个方法的时候有两个实现类，一个是公平锁FairSync，还有一个就是非公平锁NonfairSync，由于非公平锁比公平锁复杂，所以我们先分析非公平锁的原理
final void lock() {
//这里就会尝试去获取锁，如果成功获取到了锁，此时state的值就会从0变成1
if (compareAndSetState(0, 1))
//就把exclusiveOwnerThread的值设置成当前线程
//exclusiveOwnerThread是AQS里面的一个变量，也就是线程获取到了锁之后，就会把这个值设置成当前线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
// 如果没有获取到锁，就执行下面这个方法
acquire(1);
}第一个线程进来之后，由于state等于0，那么就可以获取到锁，于是就会把state的值设置成1，然后exclusiveOwnerThread值设置成自己的线程
这时候第二个线程进来，发现state的值已经是1了，所以就会进入到acquire(1);这个方法了
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}这里一共有三个方法，我们先分析tryAcquire(arg);这里的参数值等于1
//还是进入到非公平锁的实现类NonfairSync
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//拿到当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取到state的值，由于之前已经有线程获取到锁了，所以这个值现在等于1，也就不会进入带if分支
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//判断此时获取到锁的线程是不是自己，这里就是可重入锁的的实现原理了，但是我们是三个不同的线程
//所以也不会进入到这里
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
//所以最后返回false
return false;
}所以tryAcquire(arg)方法做了以下几个步骤
- 1：继续尝试获取锁，如果获取到锁了就直接返回
- 2：如果没有获取到锁，就判断此时获取到锁的线程是不是自己，如果是，就可以获取到资源继续执行，也就是可重入锁的原理
- 3：如果以上二个步骤都不符合，就直接返回false
第一个tryAcquire(arg)方法最后返回false，但是这里是取返，所以是为true，所以就会进入acquireQueued()方法，但是在这里还有个addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)方法，所以我们先分析这个方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) //Node.EXCLUSIVE表示是独占模式
selfInterrupt();
}private Node addWaiter(Node mode) {
//将当前线程封装成一个Node节点，并设置成独占模式,
//注意：一个新的Node节点的waitStatus的值等于0
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//在第一次进来的时候，tail和head都是null，所以不会进入到if分支里面去
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//由于head和tail都为null，所以会进入初始化链表的方法
//初始化链表
enq(node);
return node;
}private Node enq(final Node node) {
for (;;) { //注意：这里是死循环
Node t = tail;
//第一次进来，因为tail=null，所以会进入到if里面去
if (t == null) { // Must initialize
//这里新创建一个空的Node节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}- 第一次进来：因为第一次进来的时候tail=null,所以会进入到if中去，然后创建一个新的空的节点,然后将头节点和尾节点都指向这个节点
- 然后进入第二次循环：这时候tail已经不为空了，所以会进入到else分支里面去，所以的操作就是将当前线程封装成的Node设置尾巴节点，然后设置前置节点和后置节点的关系
这时候第三个线程进来，然后假设也没有获取到锁，那么也会进入到addWaiter()方法中
private Node addWaiter(Node mode) {
//将当前线程封装成一个Node节点，并设置成独占模式,
//注意：一个新的Node节点的waitStatus的值等于0
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//这时候tail和head都不为null了，所以就会进入if分支
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//由于tail和head都不为null，也就不会执行到这里来了
enq(node);
return node;
}这时候新进来的线程就会从链表尾部插入，然后重新更新tail尾节点指向当前线程
这时候addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg);就会返回一个Node节点了,这个Node节点就是当前封装了当前线程的Node，比如现在第一个线程Thread-1获取到锁了，然后Thread-2进来，那么Thread-2就要进入队列中进行等待了，所以这时候返回的就是Thread-2这个Node节点。同理，第三个线程Thread-3进来，那么这时候返回的就是Thread-3这个Node节点
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) //Node.EXCLUSIVE表示是独占模式
selfInterrupt();
}现在我们先分析第二个线程Thread-2。进入acquireQueued()方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//此时Node节点就是Thread-2这个线程的Node
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//拿到上一个节点，因为Thread-2是第一个排队的线程，所以他的前置节点就是头节点
final Node p = node.predecessor();
//p是头节点，所以会进入tryAcquire(arg)方法，这个方法就是再次去尝试获取锁
//但是头节点就是个虚拟节点，是不可能获取到锁的，所以不会进入到if分支里面去
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//此时会进入到这个分支里面去,此时的p是头节点，node是Thread-2的Node节点
//在第二次循环过后，shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)会返回true
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}//第一次进来，由于头节点是刚初始化的，所以waitStatus=0，所以会进入到else分支,修改头节点waitStatus
//然后由于外面的是死循环，所以会再次进入，此时头节点的waitStatus的值是Node.SIGNAL,所以会直接返回true
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//将头节点的waitStatus修改成Node.SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}由于shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true了，所以就会继续执行 parkAndCheckInterrupt()方法了
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//将Thread-2线程阻塞挂起，这里为什么是this呢，因为现在执行进来的就是Thread-2线程
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}后续Thread-3线程进来之后，也会在这里阻塞住，然后等待被唤醒
现在Thread-1线程业务执行结束了，然后就要释放锁
lock.unlock();
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;
}我们首先看下tryRelease(arg)方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//将state的值减去1
int c = getState() - releases;
//判断当前线程是否是获取锁的那个线程
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//如果state的值减1之后变成0了，那么就将exclusiveOwnerThread设置成null，
//因为我们state的值就是等于1，所以c=0，就会进入if分支里面去
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//将state的值设置成c
setState(c);
//因为会进入if分支，所以此时free的值等于true
return free;
}所以tryRelease(arg)最后会返回true，于是就会进入if分支里面去
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) { //返回true
//拿到链表的头节点
Node h = head;
//虽然在初始化的时候Node节点的waitStatus的值等于0，但是后面进来的线程会将前置节点的该值修改成-1
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}//node是头节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//拿到头节点的下一个节点，也就是Thread-2线程的节点
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)
//最后唤醒Thread-2线程继续执行吧
LockSupport.unpark(s.thread);
}Thread-2之前是在acquireQueued()方法中被阻塞住的
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//当再次循环到这里来的时候，Thread-2的前置节点就是头节点，并且此时Thread-1线程
//已经释放锁了，所以此时tryAcquire(arg)尝试去获取锁就能成功，所以会执行if分支
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//将Thread-2的Node节点设置成头节点
setHead(node);
//之前的头节点都设置成null，可以被GC回收
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//Thread-2阻塞在这里，被唤醒之后就会继续执行这个循环
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}所以最后Thread-2线程释放锁之后，此时链表的头节点是Thread-2的Node节点了，Thread-2线程释放锁之后，也会唤醒Thread-3线程，然后继续执行。
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