ReentrantLock 实现原理

使用 synchronize 来做同步处理时,锁的获取和释放都是隐式的,实现的原理是通过编译后加上不同的机器指令来实现。

ReentrantLock 就是一个普通的类,它是基于 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)来实现的。

是一个重入锁:一个线程获得了锁之后仍然可以反复的加锁,不会出现自己阻塞自己的情况。

AQSJava 并发包里实现锁、同步的一个重要的基础框架。

锁类型

ReentrantLock 分为公平锁非公平锁,可以通过构造方法来指定具体类型:

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//默认非公平锁
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
//公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

默认一般使用非公平锁,它的效率和吞吐量都比公平锁高的多(后面会分析具体原因)。

获取锁

通常的使用方式如下:

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private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run() {
lock.lock();
try {
//do bussiness
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}

公平锁获取锁

首先看下获取锁的过程:

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public void lock() {
sync.lock();
}

可以看到是使用 sync的方法,而这个方法是一个抽象方法,具体是由其子类(FairSync)来实现的,以下是公平锁的实现:

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final void lock() {
acquire(1);
}
//AbstractQueuedSynchronizer 中的 acquire()
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}

第一步是尝试获取锁(tryAcquire(arg)),这个也是由其子类实现:

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
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;
}
}

首先会判断 AQS 中的 state 是否等于 0,0 表示目前没有其他线程获得锁,当前线程就可以尝试获取锁。

注意:尝试之前会利用 hasQueuedPredecessors() 方法来判断 AQS 的队列中中是否有其他线程,如果有则不会尝试获取锁(这是公平锁特有的情况)。

如果队列中没有线程就利用 CAS 来将 AQS 中的 state 修改为1,也就是获取锁,获取成功则将当前线程置为获得锁的独占线程(setExclusiveOwnerThread(current))。

如果 state 大于 0 时,说明锁已经被获取了,则需要判断获取锁的线程是否为当前线程(ReentrantLock 支持重入),是则需要将 state + 1,并将值更新。

写入队列

如果 tryAcquire(arg) 获取锁失败,则需要用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 将当前线程写入队列中。

写入之前需要将当前线程包装为一个 Node 对象(addWaiter(Node.EXCLUSIVE))。

AQS 中的队列是由 Node 节点组成的双向链表实现的。

包装代码:

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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)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}

首先判断队列是否为空,不为空时则将封装好的 Node 利用 CAS 写入队尾,如果出现并发写入失败就需要调用 enq(node); 来写入了。

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private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

这个处理逻辑就相当于自旋加上 CAS 保证一定能写入队列。

挂起等待线程

写入队列之后需要将当前线程挂起(利用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)):

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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);
}
}

首先会根据 node.predecessor() 获取到上一个节点是否为头节点,如果是则尝试获取一次锁,获取成功就万事大吉了。

如果不是头节点,或者获取锁失败,则会根据上一个节点的 waitStatus 状态来处理(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))。

waitStatus 用于记录当前节点的状态,如节点取消、节点等待等。

shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 返回当前线程是否需要挂起,如果需要则调用 parkAndCheckInterrupt()

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private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

他是利用 LockSupportpart 方法来挂起当前线程的,直到被唤醒。

非公平锁获取锁

公平锁与非公平锁的差异主要在获取锁:

公平锁就相当于买票,后来的人需要排到队尾依次买票,不能插队

而非公平锁则没有这些规则,是抢占模式,每来一个人不会去管队列如何,直接尝试获取锁。

非公平锁:

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final void lock() {
//直接尝试获取锁
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}

公平锁:

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final void lock() {
acquire(1);
}

还要一个重要的区别是在尝试获取锁时tryAcquire(arg),非公平锁是不需要判断队列中是否还有其他线程,也是直接尝试获取锁:

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final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
//没有 !hasQueuedPredecessors() 判断
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;
}

释放锁

公平锁和非公平锁的释放流程都是一样的:

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public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒被挂起的线程
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//尝试释放锁
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;
}

首先会判断当前线程是否为获得锁的线程,由于是重入锁所以需要将 state 减到 0 才认为完全释放锁。

释放之后需要调用 unparkSuccessor(h) 来唤醒被挂起的线程。

总结

由于公平锁需要关心队列的情况,得按照队列里的先后顺序来获取锁(会造成大量的线程上下文切换),而非公平锁则没有这个限制。

所以也就能解释非公平锁的效率会被公平锁更高。

号外

最近在总结一些 Java 相关的知识点,感兴趣的朋友可以一起维护。

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