浅析ReentrantLock重入锁

在 Java 多线程中, 可以使用 synchronized 关键字来实现多线程之间同步互斥, 但在 JDK 1.5 中新增加了 ReentrantLock 类也能达到同样的效果, 并且在扩展功能上也更加强大, 比如具有嗅探锁定, 多路分支通知, 公平锁和非公平锁等(默认)功能, 而且在使用上也比 synchronized 更加的灵活.。

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ReentrantLock简介

ReentrantLock重入锁，是实现Lock接口的一个类，也是在实际编程中使用频率很高的一个锁，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。在java关键字synchronized隐式支持重入性，synchronized通过获取自增，释放自减的方式实现重入。与此同时，ReentrantLock还支持公平锁和非公平锁两种方式。公平性锁保证了锁的获取按照FIFO原则，而代价是进行大量的线程切换。非公平性锁虽然可能造成线程“饥饿”，但极少的线程切换，保证了其更大的吞吐量。

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ReenTrantLock和synchronized的区别

在Java里一共有两类锁， 一类是synchornized同步锁，还有一种是JUC里提供的锁Lock，Lock是个接口，其核心实现类就是ReentrantLock。ReentrantLock的实现 ，主要是采用自旋锁，循环调用CAS操作来实现加锁，避免了使线程进入内核态的阻塞状态。

ReenTrantLock和synchronized的比较

ReentrantLock独有的功能

1. 可指定是公平锁还是非公平锁，所谓公平锁就是先等待的线程先获得锁
2. 提供了一个Condition类，可以分组唤醒需要唤醒的线程
3. 提供能够中断等待锁的线程的机制，lock.lockInterruptibly()

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ReentrantLock常用方法

常用方法其解释

void  lock()   //加锁 
void  unlock()  //释放锁
boolean isHeldByCurrentThread();   // 当前线程是否保持锁定
boolean isLocked()  // 是否存在任意线程持有锁资源
void lockInterruptbly()  // 如果当前线程未被中断，则获取锁定；如果已中断，则抛出异常(InterruptedException)
int getHoldCount()   // 查询当前线程保持此锁定的个数，即调用lock()方法的次数
int getQueueLength()   // 返回正等待获取此锁定的预估线程数
int getWaitQueueLength(Condition condition)  // 返回与此锁定相关的约定condition的线程预估数
boolean hasQueuedThread(Thread thread)  // 当前线程是否在等待获取锁资源
boolean hasQueuedThreads()  // 是否有线程在等待获取锁资源
boolean hasWaiters(Condition condition)  // 是否存在指定Condition的线程正在等待锁资源
boolean isFair()   // 是否使用的是公平锁

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ReentrantLock示例

ReentrantLock代码示例

package cn.wideth.util;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockCount implements Runnable{
     

    //共享资源(临界资源)
    private static int count=0;

    //引入一个重入锁
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increase(){
     

        lock.lock();
        count++;
        lock.unlock();
    }

    @Override
    public void run() {
     

        for(int i=0;i<500000;i++){
     

            increase();
        }
    }

    /**
     * join方法的作用是将子线程加入主线
     * 程，等子线程结束以后，主线程才结束
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
     

        //一个实例对象
        ReentrantLockCount instance=new ReentrantLockCount();
        //两个线程
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

运行结果：

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重入性的实现原理

要想支持重入性，就要解决两个问题：1. 在线程获取锁的时候，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。我们知道，同步组件主要是通过重写AQS的几个protected方法来表达自己的同步语义。针对第一个问题，我们来看看ReentrantLock是怎样实现的，以非公平锁为例，判断当前线程能否获得锁为例，核心方法为nonfairTryAcquire：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
     
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //1. 如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取
	if (c == 0) {
     
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
     
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
	//2.若被占有，检查占有线程是否是当前线程
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
     
		// 3. 再次获取，计数加一
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

这段代码的逻辑也很简单，具体请看注释。为了支持重入性，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。每次重新获取都会对同步状态进行加一的操作，那么释放的时候处理思路是怎样的了？（依然还是以非公平锁为例）核心方法为tryRelease：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
     
	//1. 同步状态减1
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
     
		//2. 只有当同步状态为0时，锁成功被释放，返回true
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
	// 3. 锁未被完全释放，返回false
    setState(c);
    return free;
}

代码的逻辑请看注释，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。到现在我们可以理清ReentrantLock重入性的实现了，也就是理解了同步语义的第一条。

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公平锁与非公平锁

ReentrantLock支持两种锁：公平锁和非公平锁。何谓公平性，是针对获取锁而言的，如果一个锁是公平的，那么锁的获取顺序就应该符合请求上的绝对时间顺序，满足FIFO。ReentrantLock的构造方法无参时是构造非公平锁，源码为：

public ReentrantLock() {
     
    sync = new NonfairSync();
}

另外还提供了另外一种方式，可传入一个boolean值，true时为公平锁，false时为非公平锁，源码为：

public ReentrantLock(boolean fair) {
     
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

在上面非公平锁获取时（nonfairTryAcquire方法）只是简单的获取了一下当前状态做了一些逻辑处理，并没有考虑到当前同步队列中线程等待的情况。我们来看看非公平锁的处理逻辑是怎样的，核心方法为：

 /**
 * 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;
 }
        

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。

公平锁 VS 非公平锁

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。

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本文小结

本文详细描述了重入锁ReentrantLock的相关知识，介绍了重入锁的知识，公平锁以及非公平锁的的知识，最后给了一个使用案例，最后分析了ReentrantLock底层的实现原理。