深入剖析ReentrantLock源码

ReentrantLock和Synchronized都是Java开发中最常用的锁，与Synchronized这种JVM内置锁不同的是，ReentrantLock提供了更丰富的语义。可以创建公平锁或非公平锁、响应中断、超时等待、按条件唤醒等。在某些场景下，使用ReentrantLock更适合，功能更强大。

前两篇文章，我们分析了AQS的加锁流程、以及源码实现。当时我们就说了，AQS使用了模板设计模式，父类中定义加锁流程，子类去实现具体的加锁逻辑。所以大部分加锁代码已经在父类AQS中实现了，导致ReentrantLock的源码非常简单，一块学习一下。

先看一下ReentrantLock怎么使用？

1. ReentrantLock的使用

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ReentrantLock示例
 **/
public class ReentrantLockDemo {
    
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建ReentrantLock对象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 2. 加锁
        lock.lock();
        try {
            // 3. 这里执行具体的业务逻辑
        } finally {
            // 4. 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

可以看到ReentrantLock的使用非常简单，调用lock加锁，unlock释放锁，需要配置try/finally使用，保证在代码执行出错的时候也能释放锁。

ReentrantLock也可以配合Condition条件使用，具体可以翻一下前几篇文章中BlockingQueue的源码解析，那里面有ReentrantLock的实际使用。

再看一下ReentrantLock的类结构

2. ReentrantLock类结构

// 实现Lock接口
public class ReentrantLock implements Lock {

    // 只有一个Sync同步变量
    private final Sync sync;

    // Sync继承自AQS，主要逻辑都在这里面
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    }

    // Sync的两个子类，分别实现了公平锁和非公平锁
    static final class FairSync extends Sync {
    }
    static final class NonfairSync extends Sync {
    }

}

可以看出ReentrantLock的类结构非常简单，实现了Lock接口。

类里面有两个静态内部类，分别实现公平锁和非公平锁。

看一下Lock接口中，定义了哪些方法？

public interface Lock {

    // 加锁
    void lock();

    // 加可中断的锁
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    // 尝试加锁
    boolean tryLock();

    // 一段时间内，尝试加锁
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    // 释放锁
    void unlock();

    // 新建条件状态
    Condition newCondition();
}

就是一些使用锁的常用方法。

在上篇文章中浏览AQS源码的时候，了解到AQS定义了一些有关具体加锁、释放锁的抽象方法，留给子类去实现，再看一下有哪些抽象方法：

// 加独占锁
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放独占锁
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 加共享锁
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放共享锁
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 判断是否是当前线程正在持有锁
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

由于ReentrantLock使用的是独占锁，所以只需要实现独占锁相关的方法就可以了。

3. ReentrantLock源码解析

3.1 ReentrantLock构造方法

// 默认的构造方法，使用非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

// 传true，可以指定使用公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

在创建ReentrantLock对象的时候，可以指定使用公平锁还是非公平锁，默认使用非公平锁，显然非公平锁的性能更好。

先思考一个面试常考问题，公平锁和非公平锁是怎么实现的？

3.2 非公平锁源码

先看一下加锁源码：

从父类ReentrantLock的加锁方法入口：

public class ReentrantLock implements Lock {
    // 加锁入口方法
    public void lock() {
        // 调用Sync中加锁方法
        sync.lock();
    }
}

在子类NonfairSync的加锁方法：

// 非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync {

    // 加锁
    final void lock() {
        // 1. 先尝试加锁（使用CAS设置state=1）
        if (compareAndSetState(0, 1))
            // 2. 加锁成功，就把当前线程设置为持有锁线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 3. 没加锁成功，再调用父类AQS中实际的加锁逻辑
            acquire(1);
    }
}

加锁逻辑也很简单，先尝试使用CAS加锁（也就是把state从0设置成1），加锁成功，就把当前线程设置为持有锁线程。

设计者很聪明，在锁竞争不激烈的情况下，很大概率可以加锁成功，也就不用走else中复杂的加锁逻辑了。

如果没有加锁成功，还是需要走else中调用父类AQS的acquire方法，而acquire又需要调用子类的tryAcquire方法。

调用链路就是下面这样：

 

根据调用链路，实际的加锁逻辑在Sync.nonfairTryAcquire方法里面。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 非公平锁的最终加锁方法
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 1. 获取同步状态
        int c = getState();
        // 2. state=0表示无锁，先尝试加锁（使用CAS设置state=1）
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 3. 加锁成功，就把当前线程设置为持有锁线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            // 4. 如果当前线程已经持有锁，执行可重入的逻辑
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 5. 加锁次数+acquires
            int nextc = c + acquires;
            // 6. 超过tnt类型最大值，溢出了
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

再看一下释放锁的调用流程，公平锁和非公平锁流程是一样的，最终都是执行Sync.tryRelease方法：

 

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 释放锁
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // 1. 同步状态减去释放锁次数
        int c = getState() - releases;
        // 2. 校验当前线程不持有锁，就报错
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 3. 判断同步状态是否等于0，无锁后，就删除持有锁的线程
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

再看一下公平锁的源码

3.3 公平锁源码

先看一下公平锁的加锁流程：

最终的加锁方法是FairSync.tryAcquire，看一下具体逻辑：

static final class FairSync extends Sync {

    // 实现父类的加锁逻辑
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 1. 获取同步状态
        int c = getState();
        // 2. state=0表示无锁，先尝试加锁（使用CAS设置state=1）
        if (c == 0) {
            // 3. 判断当前线程是不是头节点的下一个节点（讲究先来后到）
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            // 4. 如果当前线程已经持有锁，执行可重入的逻辑
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 5. 加锁次数+acquires
            int nextc = c + acquires;
            // 6. 超过tnt类型最大值，溢出了
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 判断当前线程是不是头节点的下一个节点（讲究先来后到）
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
                ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }
}

公平锁的释放锁逻辑跟非公平锁一样，上面已经讲过。

4. 总结

看完了ReentrantLock的所有源码，是不是觉得ReentrantLock很简单。

由于加锁流程的编排工作已经在父类AQS中实现，子类只需要实现具体的加锁逻辑即可。

加锁逻辑也很简单，也就是修改同步状态state的值和持有锁的线程exclusiveOwnerThread。