前面我们分析了AQS的基本原理,然后也试着基于AQS实现了一个可重入的锁了,现在我们再来看看官方的ReentrantLock锁,这个锁是可重入的独占锁,也就是说同时只有一个线程可以获取该锁,而且这个线程还能继续尝试获取锁;

一.简单的使用

  我们先根据ReentrantLock来简单实现一个线程安全的List,然后再分析常用的方法;

package com.example.demo.study;

import java.util.ArrayList;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class Study0204 {
//线程不安全的List
private ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
//独占锁,默认是非公平锁,传入true可以是公平锁
private volatile ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //往集合中添加元素
public void add(String str) {
lock.lock();
try {
list.add(str);
} finally {
lock.unlock();
}
}
//删除集合中的元素
public void remove(String str) {
lock.lock();
try {
list.remove(str);
} finally {
lock.unlock();
}
}
//根据索引获取集合中某个元素
public String get(int index) {
lock.lock();
try {
return list.get(index);
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

  其实就是在每一步都会进行一个加锁的过程,用法和synchronized关键字一样,但是要注意一定要在finally中释放锁,而且不知道大家有没有发现一个问题,在get方法中,需要用锁吗?为什么多线程去读数据也要加锁呢,又没有改变集合中的数据,这也是ReentrantLock这个锁的一个缺陷,使用于写多读少的情况;

  所以后面我们会说一下ReentrantReadWriteLock这个锁,这个锁应用于读多写少的情景,可以把读锁和写锁分开使用,如果是读数据可以多个线程都可以获取读锁,后面会说到的

二.看看ReentrantLock锁结构

  这个锁其实也很简单,下图所示:实现Lock接口,还有一个内部工具类Sync继承自AQS,然后还有两个类NonfairSync和FairSync继承Sync实现自己的方法,看名字就知道这两个类其实就是非公平锁和公平锁的实现策略;

  首先我们看看ReentrantLock的lock方法,发现就是调用sync的lock方法,所以下一步我们看看这个sync对象是怎么构建出来的;

 

  看看构造器,可以知道根据传入的参数是true和false构建sync对象是公平策略还是非公平策略;顺便一说,在这里AQS中的state表示的是锁的可重入次数,默认情况state为0;

  当第一次一个线程CAS成功获取了该锁,那么state就加一,当这个已经获取该锁的线程继续获取锁,state继续加一,释放锁state就减一,直到变为0,那么说明该锁就没有线程占有了,此时AQS中阻塞队列中的某个线程就可以获取锁了;

  我们可以看看这里的Sync实现了一些什么方法,下图所示,只有lock()方法没有实现,留给NonfairSync和FairSync各自根据自己的场景去实现;

  公平锁策略实现如下,实现了lock方法还有tryAcquire()方法,其中这个tryAcquire方法以前说活是AQS中特意留给子类根据实际场景去实现的

  非公平策略实现如下,和公平策略实现的方法一样;

三.非公平策略获取锁

  前面说了ReentrantLock的基本结构,然后我们分析看看是怎么获取锁的,从NonfairSync中的lcok方法开始,我们梳理一下:首先当前线程A使用CAS尝试将AQS中的state从0设置为1,如果成功,那就直接将当前线程设置为锁的占有者;失败的话,那就去获取state的值,如果为0,还是用CAS设置为1,将当前线程设置为锁的占有者,不为0,那就看看占有锁的是不是当前线程;如果是当前线程,就将state加一;不是当前线程,那就是其他线程占用该锁,这才真正说明当前线程获取锁失败,我们才将当前线程封装成一个Node.EXCLUSIVE类型的节点,丢到阻塞队列中去;

  这里我们需要想一下为什么说这里是非公平的?假如在下面nonfairTryAcquire方法中,线程A获取到的c的值为1,占有锁的不是线程A,那么线程就被封装成节点丢到阻塞队列中去了,这个时候线程B来获取c的值,刚好是0(因为这个时候可能那个占有了该锁的线程释放了锁),于是线程B就能成功的将state从0变为1,能获得该锁;

  虽然线程A先尝试获取该锁,线程B后去获取,然而线程B居然可以先成功获取到锁,就好像你排队吃饭,一个后来的人居然先打到饭去吃了,真的是日了狗了!

final void lock() {
//尝试通过CAS将state从0改为1,如果成功那就将当前线程占用该锁
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
//CAS失败,说明有其他线程已经获取锁了,于是就将当前线程丢到阻塞队列中去,重点看看acquire方法
else
acquire(1);
} //主要看tryAcquire方法,在NonfairSync中实现
//当前方法中,if判断中第二个条件已经看过了,主要是将当前线程封装成一个Node.EXCLUSIVE类型的节点
//然后丢到阻塞队列的最后面去
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
} protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
} final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取state的值
int c = getState();
//state的值位0的话,那就CAS设置为1,并且设置当前线程占用该锁
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//CAS设置失败,肯定有其他线程占用该锁,由于是可重入锁,所以这里先判断占有该锁的是不是当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//是,那就将state加一
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
//能到这里,说明state的值不是0,占有锁的也不是当前线程,肯定是其他线程,那就返回false
return false;
}

四.公平策略获取锁

  其实公平策略和非公平策略的实现基本一样,我们只看看tryAcquire方法的实现:

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
//重点是这里不同,不会直接去通过CAS获取锁,而是调用hasQueuedPredecessors方法查看阻塞队列中有没有前驱节点,
//这个方法是核心,如果阻塞队列中当前线程节点的前面有节点,那么这里不会进去,直接会走下面的else if
//如果前面没有节点,那么说明当前阻塞队列为null或者只有当前线程这一个节点,那就可以获取CAS修改state,获取锁成功
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;
} //判断阻塞队列中当前线程节点前面有没有节点?
public final boolean hasQueuedPredecessors() { Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
//注意,头节点head指向的是哨兵节点
//如果头节点和尾节点一样即h==t,前面博客画图都说了都指向哨兵节点,此时阻塞队列为空,没有前驱节点,就返回false
//如果h != t同时(s = h.next) == null,说明阻塞队列中哨兵节点后面正在插入一个节点,此时表示有前驱节点,返回true
//如果h != t同时(s = h.next) != null,而且s.thread != Thread.currentThread(),说明哨兵节点后面有一个节点,而且这个节点还不是当前线程节点
//也就是说有前驱节点,返回true
return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

五.其他一些方法

  上面我们看了公平策略和非公平策略的实现方式,其实没什么,比较容易,继续看看一些其他的方法,这些方法是通用的;

  1.lockInterruptibly()方法

//前面说过加了Interruptibly表示如果当前线程在调用该方法时,其他线程调用了当前线程的interrupt()方法的时候,那么
//当前线程就会抛出InterruptedException异常,我们可以看看内在的机制是怎么实现的
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
} public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
//如果当前线程被中断,就抛出异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//尝试获取资源,这里分为公平策略和非公平策略,前面已经说过了;
//获取资源失败的话,就调用AQS可被中断的方法
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}

  2.tyLock()方法

//很明显这个tryLock方法是非公平策略
public boolean tryLock() {
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
//这个方法在前面说非公平策略的时候tryAcquire方法调用的也是这个方法
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;
}

  

  3.tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法

  这个方法和上面的方法不一样的就是可以设置超时时间,其实和前面说的也差不多,就是多了一个时间的判断,这个也是会对线程中断有响应的;

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
} public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}

  4.unlock()释放锁

public void unlock() {
sync.release(1);
} public final boolean release(int arg) {
//从下面的方法我们可以知道tryRelease只有当state为0的时候才会返回true,也就是当前锁没有被线程持有
//此时,如果头节点不为null,而且头节点的waitStatus不为初始状态,就唤醒头节点
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
} protected final boolean tryRelease(int releases) {
//将AQS中的state减一
int c = getState() - releases;
//当前线程如果不是锁的拥有者,却调用了unlock方法,那么就会抛出IllegalMonitorStateException异常
//在这里就能判断了如果原先的state为0,那么上面的c应该就是负一,就会走到这里来抛错,如果state为1,就会到下面的if(c==0)里面
//如果state大于1,那么只会到最下面的setState(c)将减一之后的state更新到AQS中
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//可重入数字为0,就将当前持有锁的线程设置为null
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//这里不管重入数字是不是0,我们只会将最新的state更新获取
setState(c);
return free;
}

六.总结

  我们已经看到了ReentrantLock这个锁的基本功能,其实就是一个独占锁,而且是可重入的,这里的重入指的是一个已经占有了该锁的线程,还可以继续获取该锁!

  下图所示,同时有三个线程去争夺ReentrantLock锁,此时,只有Thread1成功占有锁了,那么其他的两个线程就被丢到AQS阻塞队列中去了(这里是有顺序的,先是Thread2,然后是Thread3);

  如果这个时候Thread1调用了条件变量1的await方法,那么Thread1就被丢到条件队列1中,并且释放锁,这个时候阻塞队列中就会有一个线程可以获取锁,如果是公平锁,那么就是阻塞队列中最前面的那一个获取锁,此时阻塞队列中只有Thread3了;(如果是非公平锁,那么就是看运气,Thread2和Thread那个先去尝试获取锁那么就获得锁)

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