十四、并发编程之ReentrantLock公平锁和非公平锁原理详解

一、简介

Java语言中有许多原生线程安全的数据结构，比如ArrayBlockingQueue、CopyOnWriteArrayList、LinkedBlockingQueue，它们线程安全的实现方式并非通过synchronized关键字，而是通过java.util.concurrent.locks.ReentrantLock来实现。
ReentrantLock的实现是基于其内部类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)实现的。 其可重入性是基于Thread.currentThread()实现的：如果当前线程已经获得了执行序列中的锁， 那执行序列之后的所有方法都可以获得这个锁。

1、公平锁

• 公平和非公平锁的队列都基于锁内部维护的一个双向链表，表结点Node的值就是每一个请求当前锁的线程。公平锁则在于每次都是依次从队首取值。
• 锁的实现方式是基于如下几点：
  - 表结点Node和状态state的volatile关键字。
  - sum.misc.Unsafe.compareAndSet的原子操作(见附录)。

2、非公平锁

在等待锁的过程中， 如果有任意新的线程妄图获取锁，都是有很大的几率直接获取到锁的。

• ReentrantLock锁都不会使得线程中断，除非开发者自己设置了中断位。
• ReentrantLock获取锁里面有看似自旋的代码，但是它不是自旋锁。
• ReentrantLock公平与非公平锁都是属于排它锁。

二、ReentrantLock的可重入性分析

ReentrantLock重入性是基于Thread.currentThread()实现的: 如果当前线程已经获得了锁， 那该线程下的所有方法都可以获得这个锁。ReentrantLock的锁依赖只有 NonfairSync和FairSync两个实现类， 他们的锁获取方式大同小异。

//可重入性的实现基于下面代码片段的 else if 语句
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        ...
        // 尝试获取锁成功
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 是当前线程，直接获取到锁。实现可重入性。
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

此处有两个值需要关心：

  	 //持有该锁的当前线程
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;
     -----------------两个值不在同一个类----------------
    /**
     * 同步状态
     * 0： 初始状态-无任何线程得到了锁
     * > 0: 被线程持有， 具体值表示被当前线程持有的执行次数
     * 这个字段在解锁的时候也需要用到。
     * 注意这个字段的修饰词: volatile
     */
    private volatile int state;

三、ReentrantLock锁的实现分析

1、公平锁和非公平锁

ReentrantLock 的公平锁和非公平锁都委托了 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 去请求获取。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

• tryAcquire 是一个抽象方法，是公平与非公平的实现原理所在。
• addWaiter 是将当前线程结点加入等待队列之中。公平锁在锁释放后会严格按照等到队列去取后续值，而非公平锁在对于新晋线程有很大优势。
• acquireQueued 在多次循环中尝试获取到锁或者将当前线程阻塞。
• selfInterrupt 如果线程在阻塞期间发生了中断，调用 Thread.currentThread().interrupt() 中断当前线程。
• ReentrantLock 对线程的阻塞是基于 LockSupport.park(this); (AbstractQueuedSynchronizer#parkAndCheckInterrupt，先决条件是当前节点有限次尝试获取锁失败。）

公平锁和非公平锁在锁的获取上都使用到了 volatile 关键字修饰的state字段， 这是保证多线程环境下锁的获取与否的核心。但是当并发情况下多个线程都读取到 state == 0时，则必须用到CAS技术，一门CPU的原子锁技术，可通过CPU对共享变量加锁的形式，实现数据变更的原子操作。volatile 和 CAS的结合是并发抢占的关键。

2、公平锁FairSync

公平锁的实现机理在于每次有线程来抢占锁的时候，都会检查一遍有没有等待队列，如果有， 当前线程会执行如下步骤：

if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

其中hasQueuedPredecessors是用于检查是否有等待队列的。

 public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

3、非公平锁NonfairSync

非公平锁在实现的时候多次强调随机抢占：

if (c == 0) {
    if (compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }
}

与公平锁的区别在于新晋获取锁的进程会有多次机会去抢占锁。如果被加入了等待队列后则跟公平锁没有区别。

4、ReentrantLock锁的释放

ReentrantLock锁的释放是逐级释放的，也就是说在可重入性场景中，必须要等到场景内所有的加锁的方法都释放了锁， 当前线程持有的锁才会被释放。
释放的方式很简单， state字段减一即可：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //  releases = 1
    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;
}

5、ReentrantLock等待队列中元素的唤醒

当当前拥有锁的线程释放锁之后， 且非公平锁无线程抢占，就开始线程唤醒的流程。
通过tryRelease释放锁成功，调用LockSupport.unpark(s.thread); 终止线程阻塞。

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 强行回写将被唤醒线程的状态
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    Node s = node.next;
    // s为h的下一个Node, 一般情况下都是非Null的
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 否则按照FIFO原则寻找最先入队列的并且没有被Cancel的Node
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 再唤醒它
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

6、ReentrantLock内存可见性分析

try {
    lock.lock();
    i ++;
} finally {
    lock.unlock();
}

可以发现哪怕在不使用 volatile关键字修饰元素i的时候， 这里的i 也是没有并发问题的。
volatile 是Java语言的关键字， 功能是保证被修饰的元素(共享变量)：

• 任何进程在读取的时候，都会清空本进程里面持有的共享变量的值，强制从主存里面获取；
• 任何进程在写入完毕的时候，都会强制将共享变量的值写会主存。
• volatile 会干预指令重排。
• volatile 实现了JMM规范的 happen-before 原则。