ReentrantLock 源码解读 探究实现原理

前言

当我们遇到应用层面的性能瓶颈时, 第一想法就是是否可拆分成多个任务, 使用多线程来并行处理. 而伴随着多线程而来的安全问题, 我们可以使用synchronized关键字或者Lock实现类来解决.

两种锁的用法都不复杂, 但却一直不了解它们的实现原理. synchronized关键字是JVM底层实现的, 不好探究, 于是开始探究Lock的实现类ReentrantLock.

话不多说, 我们直接看ReentrantLock源码
public class ReentrantLock implements Lock{
    private final Sync sync;
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    public void lock() {
        sync.lock();
    }
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    /* 省略若干 */
}

可以看到ReentrantLock的核心方法都是由成员变量sync实现的, 我们先看NonfairSync.lock()

class NonfairSync extends Sync {
    final void lock() {
        // CAS获取锁
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
    // unsafe操作类
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    // 锁持有线程
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;
    /**
    * CAS获取锁
    */
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }
    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }
    /* 为了看起来方便, 已把部分父类方法放在了这里 */
}

NonfairSync.lock()直接调用了compareAndSetState方法, 如果成功, 就代表获取到了锁, 然后把锁的持有线程设置为当前线程. 如果失败, 就调用acquire(1)

在这里, 得补充一下CAS的概念

CAS
全称: CompareAndSwap. 顾名思义, 就是比较然后交换. CAS的原理类似数据库的乐观锁, 假设现在乐观锁version=0, 然后更新的时候我们set version = 1 where version = 0, 这个更新是一个原子操作, 即使多个线程同时来修改, 也只有一个线程会修改成功.
在Java中, 通过Unsafe类的native方法来实现CAS.

回到NonfairSync.lock(), 调用compareAndSetState(0, 1)的意思是: 如果锁对象的标记是0, 那么就设置成1. (锁标记: 0代表锁是空的, 1或以上代表锁已被占用)

如果获取锁成功, 程序便往下走了, 假如获取锁失败, 则会调用acquire(1)

    public final void acquire(int arg) {
        // 尝试获取锁
        if (!tryAcquire(arg) &&
            // 排队获取锁
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    /**
    * 尝试获取锁
    */
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
    // 锁标记
    private volatile int state;
    /**
    * 尝试获取锁
    */
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // CAS获取锁
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 判断当前线程是否和锁的持有线程一致
        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;
    }
    /* 为了看起来方便, 已把部分父类方法放在了这里 */

可以看到, 程序获取了锁标记state, 然后判断如果等于0, 那么直接CAS获取锁, 如果不等于0, 再判断当前线程和锁持有线程是否一致, 如果一致, 把锁标记+1, 返回true(获取锁成功)

我们继续看获取锁失败会发生什么

    public final void acquire(int arg) {
        // tryAcquire(arg)失败则调用 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    /**
    * 添加等待节点
    */
    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            // CAS设置新节点到链表尾巴
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 循环+CAS设置新节点到链表尾巴
        enq(node);
        return node;
    }
    /**
    * 排队获取锁
    */
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                // 如果当前节点的前一位是头部, 则尝试获取锁
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 获取锁成功, 把当前节点设置到链表头部
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                // 获取锁失败的最终处理, 把当前线程设置成Blocked状态
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

首先, 程序创建了一个等待节点, 然后把节点添加到等待链表的最后一位, 添加过程中使用了循环+CAS, CAS如果失败, 就自旋直到成功

然后, 我们主要看acquireQueued方法, 程序首先判断了当前等待节点的前一位是否为等待链表头部, 如果是头部, 就去CAS获取锁

如果前一位非头部或者获取锁失败, 就会调用shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否应该把当前线程设置为阻塞状态, 然后调用parkAndCheckInterrupt()来把当前线程阻塞, 直到被唤醒.

ReentrantLock.lock()到此基本结束, 下面我们再看看unlock()

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        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;
    }

unlock()比较简单, 可以看出程序只需要判断锁持有线程和当前线程是否一致, 如果不一致, 直接抛出IllegalMonitorStateException, 因为你都没拿到锁, 你释放个什么鬼啊, 同学们应该对这个异常比较亲切.
如果一致, 就把锁标记-1, 如果标记等于0了, 代表锁已经完全释放了, 那么就把锁持有线程设置为空.

这里补充个概念: 可重入锁
可重入锁是指: 获取到某锁的线程, 可以再次获取该锁, 然后使锁标记+1, 当线程把所有的标记释放时, 别的线程才能获取该锁, 可重入锁能有效减少死锁和提高性能, synchronized关键字本身也是一个可重入锁

释放锁以后, 查看一下锁的等待链表是否为空, 如果不为空, 就通知一下头部节点, 别睡了, 起来工作吧

到此, 解读结束

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