http://www.iocoder.cn/JUC/sike/ReentrantLock/
1. 简介
ReentrantLock,可重入锁,是一种递归无阻塞的同步机制。它可以等同于 synchronized
的使用,但是 ReentrantLock 提供了比 synchronized
更强大、灵活的锁机制,可以减少死锁发生的概率。
API 介绍如下:
一个可重入的互斥锁定 Lock,它具有与使用
synchronized
方法和语句所访问的隐式监视器锁定相同的一些基本行为和语义,但功能更强大。ReentrantLock 将由最近成功获得锁定,并且还没有释放该锁定的线程所拥有。当锁定没有被另一个线程所拥有时,调用 lock 的线程将成功获取该锁定并返回。如果当前线程已经拥有该锁定,此方法将立即返回。可以使用
#isHeldByCurrentThread()
和#getHoldCount()
方法来检查此情况是否发生。
ReentrantLock 还提供了公平锁和非公平锁的选择,通过构造方法接受一个可选的 fair
参数(默认非公平锁):当设置为 true 时,表示公平锁;否则为非公平锁。
公平锁与非公平锁的区别在于,公平锁的锁获取是有顺序的。但是公平锁的效率往往没有非公平锁的效率高,在许多线程访问的情况下,公平锁表现出较低的吞吐量。
ReentrantLock 整体结构如下图:
- ReentrantLock 实现 Lock 接口,基于内部的 Sync 实现。
- Sync 实现 AQS ,提供了 FairSync 和 NonFairSync 两种实现。
2. Sync 抽象类
Sync 是 ReentrantLock 的内部静态类,实现 AbstractQueuedSynchronizer 抽象类,同步器抽象类。它使用 AQS 的 state
字段,来表示当前锁的持有数量,从而实现可重入的特性。
2.1 lock
/** * Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing * is to allow fast path for nonfair version. */ abstract void lock(); |
- 执行锁。抽象了该方法的原因是,允许子类实现快速获得非公平锁的逻辑。
2.2 nonfairTryAcquire
#nonfairTryAcquire(int acquires)
方法,非公平锁的方式获得锁。代码如下:
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { //当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //获取同步状态 int c = getState(); //state == 0,表示没有该锁处于空闲状态 if (c == 0) { //获取锁成功,设置为当前线程所有 if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //线程重入 //判断锁持有的线程是否为当前线程 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; } |
- 该方法主要逻辑:首先判断同步状态
state == 0
?- 如果是,表示该锁还没有被线程持有,直接通过CAS获取同步状态。
- 如果成功,返回 true 。
- 否则,返回 false 。
- 如果不是,则判断当前线程是否为获取锁的线程?
- 如果是,则获取锁,成功返回 true 。成功获取锁的线程,再次获取锁,这是增加了同步状态
state
。通过这里的实现,我们可以看到上面提到的 “它使用 AQS 的state
字段,来表示当前锁的持有数量,从而实现可重入的特性”。 - 否则,返回 false 。
- 如果是,则获取锁,成功返回 true 。成功获取锁的线程,再次获取锁,这是增加了同步状态
- 如果是,表示该锁还没有被线程持有,直接通过CAS获取同步状态。
- 理论来说,这个方法应该在子类 FairSync 中实现,但是为什么会在这里呢?在下文的
ReentrantLock.tryLock()
中,详细解析。
2.3 tryRelease
#tryRelease(int releases)
实现方法,释放锁。代码如下:
protected final boolean tryRelease(int releases) { // 减掉releases int c = getState() - releases; // 如果释放的不是持有锁的线程,抛出异常 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // state == 0 表示已经释放完全了,其他线程可以获取同步状态了 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } |
- 通过判断判断是否为获得到锁的线程,保证该方法线程安全。
- 只有当同步状态彻底释放后,该方法才会返回 true 。当
state == 0
时,则将锁持有线程设置为 null ,free= true
,表示释放成功。
2.4 其他实现方法
其他实现方法比较简单,胖友自己看。
// 是否当前线程独占 @Override protected final boolean isHeldExclusively() { // While we must in general read state before owner, // we don't need to do so to check if current thread is owner return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread(); } // 新生成条件 final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject(); } // Methods relayed from outer class // 获得占用同步状态的线程 final Thread getOwner() { return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread(); } // 获得当前线程持有锁的数量 final int getHoldCount() { return isHeldExclusively() ? getState() : 0; } // 是否被锁定 final boolean isLocked() { return getState() != 0; } /** * Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it). * 自定义反序列化逻辑 */ private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { s.defaultReadObject(); setState(0); // reset to unlocked state } |
- 从这些方法中,我们可以看到,ReentrantLock 是独占获取同步状态的模式。
3. Sync 实现类
3.1 NonfairSync
NonfairSync 是 ReentrantLock 的内部静态类,实现 Sync 抽象类,非公平锁实现类。
3.1.1 lock
#lock()
实现方法,首先基于 AQS state
进行 CAS 操作,将 0 => 1
。若成功,则获取锁成功。若失败,执行 AQS 的正常的同步状态获取逻辑。代码如下:
@Override final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } |
- 优先基于 AQS
state
进行 CAS 操作,已经能体现出非公平锁的特点。因为,此时有可能有 N + 1 个线程正在获得锁,其中 1 个线程已经获得到锁,释放的瞬间,恰好被新的线程抢夺到,而不是排队的 N 个线程。
3.1.2 tryAcquire
#tryAcquire(int acquires)
实现方法,非公平的方式,获得同步状态。代码如下:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } |
- 直接调用
#nonfairTryAcquire(int acquires)
方法,非公平锁的方式获得锁。
3.2 FairSync
FairSync 是 ReentrantLock 的内部静态类,实现 Sync 抽象类,公平锁实现类。
3.2.1 lock
#lock()
实现方法,代码如下:
final void lock() { acquire(1); } |
- 直接执行 AQS 的正常的同步状态获取逻辑。
3.2.2 tryAcquire
#tryAcquire(int acquires)
实现方法,公平的方式,获得同步状态。代码如下:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (!hasQueuedPredecessors() && // <1> 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; } |
比较非公平锁和公平锁获取同步状态的过程,会发现两者唯一的区别就在于,公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件 <1>
处的 #hasQueuedPredecessors()
方法,是否有前序节点,即自己不是首个等待获取同步状态的节点。代码如下:
// AbstractQueuedSynchronizer.java public final boolean hasQueuedPredecessors() { Node t = tail; //尾节点 Node h = head; //头节点 Node s; //头节点 != 尾节点 //同步队列第一个节点不为null //当前线程是同步队列第一个节点 return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); } |
- 该方法主要做一件事情:主要是判断当前线程是否位于 CLH 同步队列中的第一个。如果是则返回 true ,否则返回 false 。
3. Lock 接口
java.util.concurrent.locks.Lock
接口,定义方法如下:
void lock(); void lockInterruptibly() throws InterruptedException; boolean tryLock(); boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; void unlock(); Condition newCondition(); |
-
每个方法解释如下图:
FROM 《Java并发编程的艺术》的 「5.1 Lock 接口」 章节。
4. ReentrantLock
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock
,实现 Lock 接口,重入锁。
ReentrantLock 的实现方法,基本是对 Sync 的调用。
4.1 构造方法
public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); } public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); } |
- 基于
fair
参数,创建 FairSync 还是 NonfairSync 对象。
4.2 lock
@Override public void lock() { sync.lock(); } |
4.3 lockInterruptibly
@Override public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { sync.acquireInterruptibly(1); } |
4.4 tryLock
/** * Acquires the lock only if it is not held by another thread at the time * of invocation. * * <p>Acquires the lock if it is not held by another thread and * returns immediately with the value {@code true}, setting the * lock hold count to one. Even when this lock has been set to use a * fair ordering policy, a call to {@code tryLock()} <em>will</em> * immediately acquire the lock if it is available, whether or not * other threads are currently waiting for the lock. * This "barging" behavior can be useful in certain * circumstances, even though it breaks fairness. If you want to honor * the fairness setting for this lock, then use * {@link #tryLock(long, TimeUnit) tryLock(0, TimeUnit.SECONDS) } * which is almost equivalent (it also detects interruption). * * <p>If the current thread already holds this lock then the hold * count is incremented by one and the method returns {@code true}. * * <p>If the lock is held by another thread then this method will return * immediately with the value {@code false}. * * @return {@code true} if the lock was free and was acquired by the * current thread, or the lock was already held by the current * thread; and {@code false} otherwise */ @Override public boolean tryLock() { return sync.nonfairTryAcquire(1); } |
- 详细的说明,胖友可以看上面的英文注释。
- 老艿艿的简单理解是:
#tryLock()
实现方法,在实现时,希望能快速的获得是否能够获得到锁,因此即使在设置为fair = true
( 使用公平锁 ),依然调用Sync#nonfairTryAcquire(int acquires)
方法。- 如果真的希望
#tryLock()
还是按照是否公平锁的方式来,可以调用#tryLock(0, TimeUnit)
方法来实现。
4.5 tryLock
@Override public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout)); } |
4.6 unlock
@Override public void unlock() { sync.release(1); } |
4.7 newCondition
@Override public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); } |
4.8 其他实现方法
其他实现方法比较简单,胖友自己看。
public int getHoldCount() { return sync.getHoldCount(); } public boolean isHeldByCurrentThread() { return sync.isHeldExclusively(); } public boolean isLocked() { return sync.isLocked(); } public final boolean isFair() { return sync instanceof FairSync; } protected Thread getOwner() { return sync.getOwner(); } public final boolean hasQueuedThreads() { return sync.hasQueuedThreads(); } public final boolean hasQueuedThread(Thread thread) { return sync.isQueued(thread); } public final int getQueueLength() { return sync.getQueueLength(); } protected Collection<Thread> getQueuedThreads() { return sync.getQueuedThreads(); } public boolean hasWaiters(Condition condition) { if (condition == null) throw new NullPointerException(); if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)) throw new IllegalArgumentException("not owner"); return sync.hasWaiters((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition); } public int getWaitQueueLength(Condition condition) { if (condition == null) throw new NullPointerException(); if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)) throw new IllegalArgumentException("not owner"); return sync.getWaitQueueLength((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition); } protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) { if (condition == null) throw new NullPointerException(); if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)) throw new IllegalArgumentException("not owner"); return sync.getWaitingThreads((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition); } |
5. ReentrantLock 与 synchronized 的区别
前面提到 ReentrantLock 提供了比 synchronized
更加灵活和强大的锁机制,那么它的灵活和强大之处在哪里呢?他们之间又有什么相异之处呢?
首先他们肯定具有相同的功能和内存语义。
- 与
synchronized
相比,ReentrantLock提供了更多,更加全面的功能,具备更强的扩展性。例如:时间锁等候,可中断锁等候,锁投票。 - ReentrantLock 还提供了条件 Condition ,对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活,所以在多个条件变量和高度竞争锁的地方,ReentrantLock 更加适合(以后会阐述Condition)。
- ReentrantLock 提供了可轮询的锁请求。它会尝试着去获取锁,如果成功则继续,否则可以等到下次运行时处理,而
synchronized
则一旦进入锁请求要么成功要么阻塞,所以相比synchronized
而言,ReentrantLock会不容易产生死锁些。 - ReentrantLock 支持更加灵活的同步代码块,但是使用
synchronized
时,只能在同一个synchronized
块结构中获取和释放。注意,ReentrantLock 的锁释放一定要在finally
中处理,否则可能会产生严重的后果。 - ReentrantLock 支持中断处理,且性能较
synchronized
会好些。