ReentrantLock锁优化和synchronized锁膨胀的共同点

背景

concurrent包下的Lock和jdk原生的synchronized经常被拿来作比较，通常会被问到两者的区别与优劣，本文不会讨论锁具体实现细节（比如轻量级锁具体修改了哪个地方的第几个位），而是基于两者对锁的宏观优化原理讨论一下彼此的共同点

synchronized的锁膨胀过程

在jdkx（忘记是哪个版本）之前，synchronized 是直接调用系统函数来阻塞线程（如linux下的pthread_mutex_lock），效率较低。后面受到了Doug Lea刺激之后，才对其做了优化，即将上锁的过程分为偏向锁、轻量级锁、重量级锁：

• 一般情况下，锁的初始状态是可偏向状态（即无锁并且支持偏向锁）。当有个线程A尝试获取锁时，会通过一次CAS操作将当前线程的标志赋值给锁对象，一旦获取锁成功，则由可偏向状态升级为偏向锁。
• 后续线程A不断申请这把锁，只需要判断线程A与锁的持有线程是否一致即可。也就是说偏向锁只需要一次CAS操作就能搞定。
• 此时如果有另一个线程B尝试上锁，则需要通过CAS修改偏向锁标志位为无锁状态，然后修改锁标志位为轻量级锁，如果成功则升级为轻量级锁，轻量级锁在使用完毕后还必须通过CAS撤销锁的状态，恢复为无锁。即每次轻量级锁从上锁到用完锁，都必须经历两次CAS操作，理想情况下，多个线程交替执行，没有锁的竞争，则每次获取的锁都是轻量级锁。
• 如果此时有多个线程在同时竞争锁，那么轻量级锁会被升级会重量级锁，系统函数将会被调用来阻塞线程。

因此，总的来说，偏向锁只需要一次CAS操作，轻量级锁每次上锁都需要两次CAS，重量级锁则每次都需要调用系统函数来阻塞线程。因此开销是逐渐变大的。

ReentrantLock 的上锁过程

ReentrantLock是在synchronized还没有优化之前开发出来的，巧妙的使用了AQS同步队列来作为锁的辅助工具，上锁过程如下：

• 线程A期望获取锁，先判断锁的state是否为0，是则表示当前锁没有被占用，尝试用CAS将state设置为1，并将当前占用锁的线程改为线程A。后续线程A再次尝试加锁时，只需要判断占用锁的线程和线程A是否一致，是的话则直接将state加1即可。即如果只有一个线程获取锁，那么就只需要一次CAS（与偏向锁完全可以对上）
• 第二个线程B获取锁，先判断锁的state是否为0，如果此时线程A已经用完了锁，则线程B用CAS将state设置为1。理想情况下AB线程交替获取锁，每次获取锁只需要用到一次CAS操作。（与轻量级锁一致）
• 如果线程B获取锁的时候发现state不为0，则会通过CAS初始化等待队列，将当前线程包装成一个node写入队列尾部，但是并不会立即阻塞，而是会进入一个死循环，先判断一下当前线程节点的prev是否是head，是则表示他是下一个正在等待的人，立刻尝试获取一次锁，获取锁失败了，再根据waitStatus判断需不需要阻塞（这里一共有两次尝试机会，即调用两次CAS，具体请自己看代码，这里不细说），几次尝试都不成功，才会调用LockSupport.parkNanos阻塞当前线程（一旦阻塞，就表示升级成了重量级锁）。

总结两者的共同点

• 从上述的两个上锁过程描述，发现两者的上锁过程基本能对应上，甚至可以说是一毛一样，只不过一个是在c++层实现，一个在java层面实现。原则上其实都是为了减少在没有锁竞争的情况下，获取锁的开销。考虑到时间先后顺序，基本可以确认jdk是在借(chao)鉴(xi)Doug Lea，并且为了不让人发现，还整了偏向锁、轻量级锁和重量级锁的概念。。。。
• 而细节的处理上，reentrantLock给了竞争线程更多的机会，并没有立即去阻塞，策略更加乐观，比synchronized更适合竞争较少的场景（如果竞争激烈的话，多余的CAS尝试反而是一种浪费）。