Jdk1.6 JUC源码解析(7)-locks-ReentrantLock

功能简介：

• Java代码层面提供的锁机制，可做为Synchronized(jvm内置)的替代物，和Synchronized一样都是可重入的。
• 与Synchronized相比较而言，ReentrantLock有以下优 势：支持公平/非公平锁、支持可中断的锁、支持非阻塞的tryLock(可超时)、支持锁条件、可跨代码块使用(一个地方加锁，另一个地方解锁)，总之比 Synchronized更加灵活。但也有缺点，比如锁需要显示解锁、无法充分享用JVM内部性能提升带来的好处等等。

源码分析：

• ReentrantLock实现了Lock接口，先来看下这个接口：

public interface Lock {
    /**
     * 获取锁，如果锁无法获取，当前线程被阻塞，直到锁可以获取并获取成功为止。
     */
    void lock();
    /**
     * 在当前线程没有被中断的情况下获取锁。
     * 如果获取成功，方法结束。
     * 如果锁无法获取，当前线程被阻塞，直到下面情况发生：
     * 1.当前线程(被唤醒后)成功获取锁。
     * 2.当前线程被其他线程中断。
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    /**
     * 如果当前锁是可用的，获取锁。
     * 获取成功后，返回true。
     * 如果当前锁不可用，返回false。
     */
    boolean tryLock();
    /**
     * 如果锁在给定超时时间内可用，并且当前线程没有被中断，那么获取锁。
     * 如果锁可用，获取锁成功并返回true。
     * 如果锁无法获取，当前线程被阻塞，直到下面情况发生：
     * 1.当前线程(被唤醒后)成功获取锁。
     * 2.当前线程被其他线程中断。
     * 3.指定的等待时间超时。
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    /**
     * 释放锁。
     */
    void unlock();
    /**
     * 返回一个和当前锁实例相关联的条件。
     * 当前线程必须首先获取锁后才能在锁条件上等待。
     * 一个Condition的await()方法调用会在等待之前自动释放锁，在等待结束
     * 前重新获取锁。
     */
    Condition newCondition();
}

• 之前分析AQS的时候提到过，基于AQS构建的同步机制都会使用内部帮助类继承AQS的方式构建，看下ReentrantLock中的同步机制：

    //内部同步机制的引用。
    private final Sync sync;
    /**
     * 这个锁实现的基本同步控制机制，下面会提供公平和非公平版本的子类。
     * 利用AQS的state来表示锁持有(重入)的次数。.
     */
    static abstract class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
        /**
         * Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
         * is to allow fast path for nonfair version.
         */
        abstract void lock();
        /**
         * 方法用来支持非公平的tryLock
         */
        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                //如果当前没有任何线程获取锁(锁可用)，尝试设置state。
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //如果设置成功，将当前线程信息设置到AQS中(所有权关联)。
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //如果锁已经被持有，那么判断一下持有锁的线程是否为当前线程。
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //如果是当前线程在持有锁，那么这里累计一下重入次数。
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow  重入次数最大不能超过int的最大值
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                //设置到AQS的state中
                setState(nextc);
                return true;
            }
            //如果锁已经被持有，且持有线程不是当前线程，返回false。
            return false;
        }
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            //释放时，这里要减去重入次数。
            int c = getState() - releases;
            //判断控制权关系是否正确。
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                //如果当前线程完全释放了锁(重入次数为0)
                free = true;
                //解除所有权关系。
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //设置重入次数。
            setState(c);
            //返回是否释放成功(或者说是否完全释放)。
            return free;
        }
        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();
        }
        final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
        // Methods relayed from outer class
        final Thread getOwner() {
            return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
        }
        final int getHoldCount() {
            return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
        }
        final boolean isLocked() {
            return getState() != 0;
        }
        /**
         * Reconstitutes this lock instance from a stream.
         * @param s the stream
         */
        private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
            throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
            s.defaultReadObject();
            setState(0); // reset to unlocked state
        }
    }

接下来先看一下非公平版本的子类：

    /**
     * Sync object for non-fair locks
     */
    final static class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            //这里首先尝试一个短代码路径，直接CAS设置state，尝试获取锁。
            //相当于一个插队的动作(可能出现AQS等待队列里有线程在等待，但当前线程竞争成功)。
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);//如果CAS失败，调用AQS的独占请求方法。
        }
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            //调用上面父类的nonfairTryAcquire方法。
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

再来先看一下公平版本的子类：

    /**
     * Sync object for fair locks
     */
    final static class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
        final void lock() {
            acquire(1);
        }
        /**
         * 公平版本的tryAcquire。
         * 只有在递归(重入)或者同步队列中没有其他线程
         * 或者当前线程是等待队列中的第一个线程时才准许访问。
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) { //如果当前锁可用，且同步等待队列中没有其他线程，那么尝试设置state
                    setExclusiveOwnerThread(current); //如果设置成功，相当于获取锁成功，设置所有权关系。
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //如果当前线程已经持有该锁，那么累计重入次数。
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

       小总结一下：

       非公平版的锁-加锁操作

1. 当前线程首先会无条件的执行一个CAS操作来获取锁，如果CAS操作成功，获取锁成功。
2. 如果第1步没成功，当前会检查锁是否被其他线程持有，也就是锁是否可用。
3. 如果没有其他线程持有锁，会以CAS的方式尝试获取锁，如果CAS操作成功，获取锁成功。
4. 如果有其他线程持有锁，会判断一下持有锁的线程是否为当前线程，如果是当前线程，重入次数+1，获取锁成功。
5. 根据AQS的分析，上述2、3、4步会执行多次，如果最终获取锁失败，当前线程会被阻塞，等待其他线程执行解锁操作将其唤醒。

       公平版的锁-加锁操作

1. 当前线程首先会检查锁是否被其他线程持有，并且当前同步等待队列里有没有其他线程在等待。
2. 如果没有其他线程持有锁，且同步等待队列里没有其他线程，会以CAS的方式尝试获取锁，如果CAS操作成功，获取锁成功。
3. 如果有其他线程持有锁，会判断一下持有锁的线程是否为当前线程，如果是当前线程，重入次数+1，获取锁成功。
4. 根据AQS的分析，上述1、2、3步会执行多次，如果最终获取锁失败，当前线程会被阻塞，等待其他线程执行解锁操作将其唤醒。

       非公平版和公平版锁的解锁操作一样

1. 当前线程首先将锁重入次数减1(AQS的state)，如果减1后结果为0，将当前同步器的线程信息置空，并唤醒同步等待队列中队头的等待线程。
2. 如果第1步中，重入次数减1后结果不为0(说明当前线程还持有当前锁)，方法结束。

• 有了内部的基础同步机制，ReentrantLock的实现就很简单了，直接看代码：

    /**
     * 默认情况下构建非公平锁。
     */
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    /**
     * 根据给定的公平策略生成相应的实例。
     *
     * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
     */
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = (fair)? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
 
    public void lock() {
        sync.lock();
    }
 
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }
 
    public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }
 
    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }
 
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
 
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

最后看一下一些支持监测的方法：

    /**
     * 获取当前线程的对当前锁的持有(重入)次数。
     */
    public int getHoldCount() {
        return sync.getHoldCount();
    }
    /**
     * 判断当前锁是否被当前线程持有。
     */
    public boolean isHeldByCurrentThread() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }
    /**
     * 判断当前锁是否被(某个线程)持有。
     */
    public boolean isLocked() {
        return sync.isLocked();
    }
    /**
     * 当前锁是否为公平锁。
     */
    public final boolean isFair() {
        return sync instanceof FairSync;
    }
    /**
     * 获取持有当前锁的线程。
     */
    protected Thread getOwner() {
        return sync.getOwner();
    }
    /**
     * 判断是否有线程在当前锁的同步等待队列中等待。
     */
    public final boolean hasQueuedThreads() {
        return sync.hasQueuedThreads();
    }
    /**
     * 判断给定的线程是否在当前锁的同步等待队列中等待。
     */
    public final boolean hasQueuedThread(Thread thread) {
        return sync.isQueued(thread);
    }
    /**
     * 获取当前锁的同步等待队列中的等待线程(估计)数量。
     */
    public final int getQueueLength() {
        return sync.getQueueLength();
    }
    /**
     * 获取当前锁的同步等待队列中等待的线程。
     */
    protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {
        return sync.getQueuedThreads();
    }
    /**
     * 判断是否有线程在给定条件的条件等待队列上等待。
     */
    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);
    }
    /**
     * 获取给定条件的条件等待队列中等待线程的(估计)数量。
     */
    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);
    }
    /**
     * 获取给定条件的条件等待队列中等待线程。
     */
    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);
    }