JDK源码分析-ReentrantLock

概述

在 JDK 1.5 以前，锁的实现只能用 synchronized 关键字；1.5 开始提供了 ReentrantLock，它是 API 层面的锁 。先看下 ReentrantLock 的类签名以及如何使用：

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

典型用法：

public void m() {

lock.lock(); // block until condition holds

try {

// ... method body

} finally {

lock.unlock()

}

}

该用法和使用 synchronized 关键字效果是一样的。 既然有了 synchronized，为什么又会有 Lock 呢？相比于 synchronized，其实 ReentrantLock 的出现并不重复，它增加了不少功能，下面先简单介绍几个概念。

公平锁&非公平锁 ： 所谓锁是否公平，简单理解就是一系列线程获取到锁的顺序是否遵循「先来后到」。即，如果先申请锁的线程先获取到锁，就是公平锁；否则就是非公平锁。ReentrantLock 的默认实现和 synchronized 都是非公平锁。

可重入锁 ：锁是否可重入， 就是一个线程是否可以多次获取同一个锁，若是，就是可重入锁。ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁。

代码分析

构造器

ReentrantLock 有两个构造器，分别如下：

private final Sync sync;

// 构造一个 ReentrantLock 实例（非公平锁）

public ReentrantLock() {

sync = new NonfairSync();

}

// 构造一个 ReentrantLock 实例（指定是否公平）

public ReentrantLock(boolean fair) {

sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();

}

可以看到，两个构造器都是初始化一个 Sync 类型的成员变量。而且，当 boolean 值 fair 为 true 时，初始化的 sync 为 FairSync，为 false 时初始化为 NonFairSync，二者分别表示「公平锁」和「非公平锁」。可以看到无参构造默认是非公平锁。

常用方法

ReentrantLock 常用的方法就是 Lock 接口定义的几个方法，如下：

// 获取锁（阻塞式）

public void lock() {

sync.lock();

}

// 获取锁（响应中断）

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {

sync.acquireInterruptibly(1);

}

// 尝试获取锁

public boolean tryLock() {

return sync.nonfairTryAcquire(1);

}

// 尝试获取锁（有超时等待）

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

throws InterruptedException {

return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));

}

// 释放锁

public void unlock() {

sync.release(1);

}

可以看到，这几个方法内部都是通过调用 Sync 类（或其子类）的方法来实现， 因此先从 Sync 类入手分析，代码如下（部分省略） ：

// 抽象类，继承了 AQS

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

// 获取锁的方法，由子类实现

abstract void lock();

// 非公平锁的 tryLock 方法实现

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {

final Thread current = Thread.currentThread();

// 获取 AQS 的 state 变量

int c = getState();

// 若为 0，表示当前没有被其他线程占用

if (c == 0) {

// CAS 修改 state，若修改成功，表示成功获取资源

if (compareAndSetState(0, acquires)) {

// 将当前线程设置为 owner，到这里表示当前线程成功获取资源

setExclusiveOwnerThread(current);

return true;

}

}

// state 不为 0，且 owner 为当前线程

// 表示当前线程已经获取到了资源，这里表示“重入”

else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

int nextc = c + acquires;

if (nextc < 0) // overflow

throw new Error("Maximum lock count exceeded");

// 修改 state 值（因为当前线程已经获取资源，不存在竞争，因此无需 CAS 操作）

setState(nextc);

return true;

}

return false;

}

// 释放锁操作（对 state 做减法）

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;

// 成功释放后将 owner 设为空

setExclusiveOwnerThread(null);

}

// 修改 state 的值

// PS: 因为可能存在“重入”，因此一次释放操作后当前线程仍有可能占用资源，

// 所以不会直接把 state 设为 0

setState(c);

return free;

}

// 其他方法...

final boolean isLocked() {

return getState() != 0;

}

}

Sync 类继承自 AQS，其中 nonfairTryAcquire 方法是非公平锁 tryAcquire 方法的实现。

从上面代码可以看出，锁的获取和释放是通过修改 AQS 的 state 变量来实现的。lock 方法可以看做对 state 执行“加法”操作，而 unlock 可以看做对 state 执行“减法”操作，当 state 为 0 时，表示当前没有线程占用资源。

公平锁&非公平锁

（1）非公平锁  NonFairSync ：

static final class NonfairSync extends Sync {

final void lock() {

// CAS 尝试将 state 值修改为 1

if (compareAndSetState(0, 1))

// 若修改成功，则将当前线程设为 owner，表示成功获取锁

setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());

// 若获取失败，则执行 AQS 的 acquire 方法（独占模式获取资源）

else

acquire(1);

}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

return nonfairTryAcquire(acquires);

}

}

可以看到，非公平锁的 lock 操作为：先尝试以 CAS 方式修改 state 的值，若修改成功，则表示成功获取到锁，将 owner 设为当前线程；否则就执行 AQS 中的 acquire 方法，具体可参考前文「 JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2) 」，这里不再赘述。

（2）公平锁 FairSync：

static final class FairSync extends Sync {

final void lock() {

acquire(1);

}

// 公平锁的 tryAcquire 实现

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

final Thread current = Thread.currentThread();

int c = getState();

// state 为 0，表示资源未被占用

if (c == 0) {

// 若队列中有其他线程在排队等待，则返回 false，表示获取失败；

// 否则，再尝试去修改 state 的值

// PS: 这里是公平锁与非公平锁的区别所在

if (!hasQueuedPredecessors() &&

compareAndSetState(0, acquires)) {

setExclusiveOwnerThread(current);

return true;

}

}

// 若当前线程已占用了锁，则“重入”

else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

int nextc = c + acquires;

if (nextc < 0)

throw new Error("Maximum lock count exceeded");

setState(nextc);

return true;

}

return false;

}

}

可以看到，与非公平锁相比，公平锁的不同之处在于增加了判断条件 hasQueuedPredecessors，即首先判断主队列 中是否有其他线程在等待，当没有其他线程在排队时再去获取，否则获取失败。

hasQueuedPredecessors 在 AQS 中实现如下：

/**

* Queries whether any threads have been waiting to acquire longer

* than the current thread.

*/

public final boolean hasQueuedPredecessors() {

// The correctness of this depends on head being initialized

// before tail and on head.next being accurate if the current

// thread is first in queue.

Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order

Node h = head;

Node s;

return h != t &&

((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());

}

小结

synchronized 与 ReentrantLock 比较：

相同点： 二者都是互斥锁，可重入，默认都是非公平锁。

不同点： synchronized 是语法层面实现，自动获取锁和释放锁；ReentrantLock 是 API 层面实现，手动获取锁和释放锁。

ReentrantLock 相比 synchronized 的优势：

1. 可响应中断；

2. 获取锁可设置超时；

3. 可实现公平锁；

4. 可绑定多个条件（Condition）。

JDK 1.6 以后，synchronized 与 ReentrantLock 性能基本持平，JVM 未来的性能优化也会更偏向于原生的 synchronized。因此，如何选择还要根据实际需求， 性能不再是不选择 synchronized 的原因了。

相关阅读：

JDK源码分析-Lock&Condition

JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)

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