Java 多线程 重入锁

　　作为关键字synchronized的替代品（或者说是增强版），重入锁是synchronized的功能扩展。在JDK 1.5的早期版本中，重入锁的性能远远好于synchronized，但从JDK 1.6开始，JDK优化了synchronized，使两者性能差距不大。重入锁使用java.util.concurrent.locks.ReentrantLock类来实现。

　　使用重入锁可以指定何时加锁和何时释放锁，对逻辑控制的灵活性远远好于synchronized，退出临界区时必须释放锁。之所以称为重入锁，是因为一个线程可以连续获得这种锁。而synchronized隐式地支持重进入。具体而言，重进入指线程在获取锁之后能再次获取该锁而不会被锁阻塞，该特性的实现需要解决两个问题：

　　1 线程再次获取锁

　　锁需要识别获取锁的线程是否为当前占有锁的线程，如果是，则再次成功获取。

　　2 锁的最终释放

　　线程重复n次获取了锁，随后在第n次释放该锁后，其他线程能够获取到该锁。锁的最终释放要求获取锁需要计数自增，计数表示锁被重复获取的次数，而锁被释放时计数自减，当计数为0时表示锁已经最终成功释放。

　　ReentrantLock通过组合自定义同步器实现锁的获取与释放，以非公平性（默认）实现为例，获取同步状态代码如下：

 /**
  * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
  * subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
  */
 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
     final Thread current = Thread.currentThread();
     int c = getState();
     if (c == 0) {
         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;
 }

　　再次获取同步方法的处理逻辑：通过判断当前线程是否为获取锁的线程来决定获取操作是否成功，如果是获取锁的线程再次请求，则增加同步状态值并返回true，表示获取同步状态成功。也就是说，成功获取锁的线程再次获取锁，只是增加了同步状态值，这也要求ReentrantLock在释放同步状态时减少同步状态值，释放同步状态代码如下：

 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;
 }

　　如果锁被获取了n次，那么前n-1次tryRelease(int releases)方法必须返回false。也就是说，只有同步状态完全释放了，该方法才能返回true。该方法将同步状态是否为0作为最终释放的条件，当同步状态为0时，将占有线程设置为null，并返回true，表示释放成功。

　　简单的重入锁使用例子如下：

　　

　　修改上述代码第7-12行：

　　

　　在这种情况下，一个线程连续两次获得同一把锁。如果不允许该操作，那么同一个线程在第2次请求获得锁时，会和自己产生死锁，程序卡死在第2次申请锁的过程中。如果同一个线程多次获得锁，那么释放锁的次数与其相同。如果释放锁的次数多，那么会有java.lang.IllegalMonitorStateException异常；反之，如果释放锁的次数少了，那么该线程依然持有这个锁。

　　除了使用上的灵活性之外，重入锁还提供了一些高级功能：

　　1 中断响应

　　对于synchronized，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种可能：要么获得这把锁继续执行，要么保持等待。而使用重入锁可以提供另外一种可能：线程可以被中断。也就是说，线程在等待锁的过程中，程序可以根据需要取消对锁的请求。例如，小王与小明一起去打球，如果小王等了10分钟，小明还没到，接到小明的电话了解到由于突发情况不能如约了，那么小王就扫兴地打道回府了。对于线程而言，如果一个线程正在等待锁，那么它可以收到一个通知，被告知无需再等待，可以停止工作了。这种情况对于处理死锁是有一定帮助的。

　　2 锁申请等待限时

　　除了等待外部通知之外，避免死锁还有另外一种方法：限时等待。继续上面的例子，如果小王等了半个小时，小明还不来，那么小王就扫兴离去了。对于线程而言，如果给定一个等待时间，让线程自动放弃，那么可以避免线程持续等待。

　　3 公平锁

　　在大多数情况下，锁的申请都是非公平的。只要CAS设置同步状态成功，则表示当前线程获得了锁。也就是说，线程1首先申请了锁A，接着线程2也申请了锁A，那么当锁A可用时，哪个线程获得锁是不一定的，系统会从锁A的等待队列中随机选择一个，不能保证公平性。如同买票不排队，大家乱哄哄地围在售票窗口前，售票员忙得焦头烂额，顾不得谁先谁后，随便找个人出票就完事了。而公平锁保证锁的获取遵守FIFO原则即先到先得，不会产生饥饿现象，代价是大量的线程切换。synchronized产生的锁是非公平的，而重入锁可以设置是否公平。公平的重入锁要求系统维护一个有序队列，实现成本比较高，性能较低。所以，默认情况下的锁是非公平的。

　　ReentrantLock类常见方法如下：

　　1 public ReentrantLock(boolean fair)

　　当参数fair是true时，表示该重入锁是公平的。

　　2 lock()

　　获取锁，如果锁已被占用，则等待。

　　3 lockInterruptibly()

　　获取锁，但优先响应中断。

　　4 tryLock()

　　尝试获取锁，如果成功，返回true；否则，返回false。该方法不等待，立即返回。

　　5 tryLock(long time, TimeUnit unit)

　　在给定时间内尝试获取锁。

　　6 unlock()

　　释放锁。

　　重入锁的实现包含3个要素：

　　1 原子状态

　　原子状态使用CAS操作来存储当前锁的状态，判断锁是否已被其他线程持有。

　　2 等待队列

　　所有没有获取到锁的线程会进入等待队列进行等待。当有线程释放锁后，系统就从等待队列中唤醒一个线程，继续工作。

　　3 阻塞原语park()和unpark()

　　挂起和恢复线程，没有获取到锁的线程会被挂起。

　　

　　参考资料

　　《实战Java高并发程序设计》 P71-80

　　《Java并发编程的艺术》 5.3 重入锁