聊聊并发：（九）concurrent包之ReentrantLock分析
前言
在上两篇文章中，
聊聊并发：（七）concurrent包之AbstractQueuedSynchronizer分析
聊聊并发：（八）concurrent包之AbstractQueuedSynchronizer源码实现分析
我们介绍了AbstractQueuedSynchronizer同步器的工作原理与源码实现，了解AQS的实现机制对于我们理解Lock的各种锁的实现是至关重要的，本篇，我们来学习一下Lock的其中一个实现ReentrantLock可重入锁的实现机制。
ReentrantLock介绍
ReentrantLock重入锁，是实现Lock接口的一个实现类，是我们开发并发程序中比较常用的一种锁，它支持重入性，表示能够对共享资源能够重复加锁，即当前线程获取该锁再次获取不会被阻塞。
我们在前面介绍synchronized关键字的时候提到过，synchronized的锁也是支持可重入的，只不过synchronized的可重入性是基于Java语言的实现机制实现，ReentrantLock是基于代码层面进行的实现。
相比于synchronized，ReentrantLock还支持公平锁和非公平锁两种方式。构造方法接受一个可选的公平参数（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。
接下来，我们具体来看一下它是如何实现的。
锁的获取与可重入性
ReentrantLock如何获取锁：
//默认非公平锁
Lock nonFairLock = new ReentrantLock();
nonFairLock.lock();//创建公平锁
Lock fairLock = new ReentrantLock(true);
fairLock.lock();ReentrantLock获取锁的操作比较简单，直接调用其lock方法，即可完成锁的获取。ReentrantLock默认使用的是非公平锁，可以在构造方法中进行指定创建“公平锁”或“非公平锁”。
ReentrantLock的公平锁与非公平锁的实现是基于AQS进行实现的，其通过构造方法传入的值，构建不同的同步器，我们来看一下源码实现：
public void lock() {
sync.lock();
} public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}ReentrantLock里面大部分的功能都是委托给Sync来实现的，同时Sync内部定义了lock()抽象方法由其子类去实现，默认实现了nonfairTryAcquire(int acquires)方法，可以看出它是非公平锁的默认实现方式。
非公平锁实现
非公平锁实现的实现是基于非公平同步器的，我们首先看一下非公平同步器的实现：
/**
* 非公平锁同步器
*/
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
final void lock() {
//当前同步状态可用，直接将当前线程设置为获取到锁的线程
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//反之，调用AQS的acquire获取同步状态
acquire(1);
}
//重写AQS的tryAcquire方法的实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}首先第一次会检查当前同步状态是否可用，如果是，直接将当前线程设置为获取到锁的线程；
如果不是，则调用AQS中的acquire方法：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}acquire方法中首先会调用tryAcquire()，在介绍AQS的时候我们提到过，这个方法是由子类进行实现的，非公平同步器重写了tryAcquire方法，即会调用其子类的实现：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前同步状态
int c = getState();
//如果同步状态可用
if (c == 0) {
//获取同步状态成功，CAS设置当前同步状态
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//并将同步状态置为当前线程所有
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果当前同步状态不可用
//判断持有当前同步状态的线程是否为请求线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//是，同步状态计数器，递增
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//更新同步状态
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}上面的代码就是非公平同步器获取同步状态的实现，我们在前面提到了，ReentrantLock是支持重入的锁，那么要想支持可重入，就需要就要解决两个问题：
- 1、线程获取锁的时候，如果已经获取锁的线程是当前线程的话则直接再次获取成功；
- 2、由于锁会被获取n次，那么只有锁在被释放同样的n次之后，该锁才算是完全释放成功。
我们再来看上面的代码，为了支持可重入性，在第二步增加了处理逻辑，如果该锁已经被线程所占有了，会继续检查占有线程是否为当前线程，如果是的话，同步状态加1返回true，表示可以再次获取成功。
公平锁实现
OK，分析完非公平锁，我们接下来再看一下公平锁的实现，同理，公平锁是基于公平同步器的，我们看一下公平同步器的实现：
/**
* 公平锁同步器
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
//直接调用AQS的acquire获取同步状态
acquire(1);
}
//重写AQS的tryAcquire方法的实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前同步状态
int c = getState();
//如果同步状态可用
if (c == 0) {
//判断当前节点在同步队列中是否有前驱节点
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//获取同步状态成功，CAS设置当前同步状态，并将同步状态置为当前线程所有
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果当前同步状态不可用
//判断持有当前同步状态的线程是否为请求线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//是，同步状态计数器，递增
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置当前同步状态
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}上面的代码就是公平同步器获取同步状态的实现，可以看到，其实现与非公平同步器基本一致，唯一有区别的地方，在于hasQueuedPredecessors方法，我们看一下该方法的实现：
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
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());
}该方法会判断判断当前节点在同步队列中是否有前驱节点，如果有前驱节点说明有线程比当前线程更早的请求资源，根据公平性，当前线程请求资源失败。如果当前节点没有前驱节点的话，再才有做后面的逻辑判断的必要性。
公平锁每次都是从同步队列中的第一个节点获取到锁，而非公平性锁则不一定，有可能刚释放锁的线程能再次获取到锁。
释放锁
ReentrantLock如何释放锁：
Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
//do something....
lock.unlock();释放锁的操作很简单，使用完毕后，直接调用unlock方法，即可释放，建议释放锁的操作要在finally中进行，以免出现异常情况导致死锁：
lock.lock();
try {
//do something.....
} finally {
lock.unlock();
}ReentrantLock释放锁的操作同样是基于同步器进行实现的：
public void unlock() {
sync.release(1);
}同步器会调用AQS的release方法：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}release方法中，会调用tryRelease模板方法，同样，会调用其子类的实现（同样的套路有木有O(∩_∩)O哈哈~），我们来看一下子类的实现：
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为0时，才表示释放成功
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}上面的代码就是ReentrantLock的同步器中释放同步状态的逻辑，需要注意的是，重入锁的释放必须得等到同步状态为0时锁才算成功释放，否则锁仍未释放。如果锁被获取n次，释放了n-1次，该锁未完全释放返回false，只有被释放n次才算成功释放，返回true。
这里与上面的可重入部分的逻辑相对应，重入了多少次，在释放的时候，也要对应释放多少次，才算真正的释放成功。
公平锁 VS 非公平锁
现在我们已经了解了公平锁与非公平锁的实现机制，我们来对比一下两种锁的特性：
- 1、公平锁每次获取到锁为同步队列中的第一个节点，保证请求资源时间上的绝对顺序，而非公平锁有可能刚释放锁的线程下次继续获取该锁，则有可能导致其他线程永远无法获取到锁，造成“饥饿”现象。
- 2、公平锁为了保证时间上的绝对顺序，需要频繁的上下文切换，而非公平锁会降低一定的上下文切换，降低性能开销。因此，ReentrantLock默认选择的是非公平锁，则是为了减少一部分上下文切换，保证了系统更大的吞吐量。
所以在选择使用哪种锁的时候，需要根据具体的业务场景进行判断：
- 如果对于顺序性要求比较严苛的场景，那么公平锁可能更加的合适；
- 如果对于顺序性不敏感的，但是对于并发吞吐量要求比较高的场景，那么使用非公平锁更加的合适。
ReentrantLock VS synchronized
ReentrantLock与synchronized都可以进行锁的实现，也都支持可重入性，那么它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。
- 1、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。
- 2、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）。
- 3、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。
- 4、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：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。
- 5、ReentrantLock支持中断处理，且性能较synchronized会好些。
结语
本篇我们介绍了ReentrantLock的使用方法以及实现机制，了解了其“公平锁”与“非公平锁的”实现机制。
ReentrantLock还有除了获取锁与释放锁的方法之外，还提供了很多其他的方法，例如设定超时获取锁、配合condition使用的方法等等，这里暂时不一一介绍，超时设定获取锁的方法可以参见之前介绍AQS的实现，condition的使用我们会在后面的篇幅中进行介绍。
本文参考：
JDK1.8源代码
JDK1.8中文文档
彻底理解ReentrantLock
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