详解ReentrantLock为什么是可重入锁

1 缘起

有一次，公司有人在面试，路过时，听到面试官问到了锁，
让面试者聊一聊用到的锁，
我此时，也是心里一震，
我用过哪些锁？为什么使用？
搜索了好一会儿，哈哈哈，我就是这么菜。
只学习过synchronized、CountDownLatch，没有其他储备。
心想，如果我当时是面试者，该多没脸，直接没有了机会。
我该怎么办？学呗。
那么，就有了这个可重入锁的详解。

2 可重入锁

2.1 什么是可重入锁

可重入，即一个线程可以多次（重复）进入同类型的锁而不出现异常（死锁），这里的死锁：自己等待自己释放再获取，所以无限循环。
如：同一线程，执行逻辑中，嵌套获执行多个synchronized代码块或者嵌套执行ReentrantLock代码块。

2.2 为什么要用可重入锁

• 最大程度避免死锁。

3 先给个测试例子，再源码解析

在解析为什么同一线程可以重入（多次持有锁）之前，先给出一个测试样例。
该样例展示了同一线程多次进入同一个锁对象，而正常执行的过程。
执行过程是：线程t1->获取主方法testWithUnFairReentrantLock()的锁->主方法中获取子方法testSubMethodWithUnFairReentrantLock()的锁，实现嵌套获取锁。

package com.monkey.java_study.lock;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * ReentrantLock测试.
 *
 * @author xindaqi
 * @date 2022-04-20 18:00
 */
public class ReentrantLockNestedTest {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ReentrantLockNestedTest.class);

    private static final ReentrantLock unFairLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 非公平锁测试.
     */
    public static void testWithUnFairReentrantLock() {
        try {
            logger.info(">>>>>>>>>>竞争锁，Thread name:{}", Thread.currentThread().getName());
            unFairLock.lock();
            int count = unFairLock.getHoldCount();
            int queue = unFairLock.getQueueLength();
            logger.info(">>>>>>>>>>竞得锁，执行任务，Thread name:{}, count:{}, queue:{}", Thread.currentThread().getName(), count, queue);
            Thread.sleep(2000);
            logger.info(">>>>>>>>>>执行完成:{}, count:{}, queue:{}", Thread.currentThread().getName(), count, queue);
            testSubMethodWithUnFairReentrantLock();
        } catch (Exception ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        } finally {
            logger.info(">>>>>>>>>>释放锁:{}", Thread.currentThread().getName());
            unFairLock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 子方法，测试可重入.
     */
    public static void testSubMethodWithUnFairReentrantLock() {
        try {
            logger.info(">>>>>>>>>>Sub method竞争锁，Thread name:{}", Thread.currentThread().getName());
            unFairLock.lock();
            int count = unFairLock.getHoldCount();
            int queue = unFairLock.getQueueLength();
            logger.info(">>>>>>>>>>Sub method竞得锁，执行任务，Thread name:{}, count:{}, queue:{}", Thread.currentThread().getName(), count, queue);
            Thread.sleep(2000);
            logger.info(">>>>>>>>>>Sub method执行完成:{}, count:{}, queue:{}", Thread.currentThread().getName(), count, queue);
        } catch (Exception ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        } finally {
            logger.info(">>>>>>>>>>Sub method释放锁:{}", Thread.currentThread().getName());
            unFairLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try {
            // UnFairLock
            new Thread(ReentrantLockNestedTest::testWithUnFairReentrantLock, "t1").start();
        } catch (Exception ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }
    }
}

测试结果如下图所示，由图可知，线程t1第一次获取锁，此时当前线程持有锁数量为1，即count=1，
执行到子方法时，线程t1，第二次获取锁，此时当前线程持有锁数量为2，即count=2，并且正常执行，
没有出现异常（死锁）。

4 为什么可重入

上面测试样例展示了同一线程多次获取锁的工作过程，下面解析ReentrantLock如何实现可重入的。
由源码可是可重入锁ReentrantLock有两种形式的锁：公平锁和非公平锁。
这里以非公平锁为例，阐述ReentrantLock的可重入特性。

4.1 可重入锁ReentrantLock

第一步是新建锁对象。由源码可知，ReentrantLock默认情况是非公平锁，即通过NonfairSync创建非公平锁同步对象。
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock#ReentrantLock()

4.2 非公平锁NonfairSync

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync
通过NonfairSync创建非公平锁对象，NonfairSync继承Sync，实现lock方法，这个lock方法就是可重入锁实现可重入的入口。
由这个lock方法可知，先进入的逻辑是CAS，如果CAS失败，则执行acquire(1)，这个acquire是可重入的入口，即通过acquire实现可重入。
重入过程：
（1）线程t1，第一次获取锁x.lock()，CAS成功，嵌套调用，第二次获取锁x.lock()时，CAS失败。
（2）第二次CAS失败后，会执行acquire(1)，实现重入。忽略线程中断，并使当前线程持有锁的次数+1，保证逻辑正常执行。
为什么第二次CAS失败：因为第一次已经CAS了，内存数据已经发生了改变，变为1，所以第二次CAS(0,1)时，0≠1，因此失败。
接下来需要解析acquire(1)方法。

4.3 acquire

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#acquire
acquire重入逻辑的入口。
在acquire中有两个过程，即tryAcquire和acquireQueued。
其中，
（1）tryAcquire是可重入的入口，实现当前线程的锁持有数自增，并且返回true，保证不会触发线程中断selfInterrupt()；
（2）acquireQueued则是轮询获取已在队列中的线程，进一步判断，同一线程是否在队列，保证不会中断当前线程。返回false，保证不会触发线程中断selfInterrupt()。不过获取前，有一个入队的操作：addWaiter。
因为判断的逻辑为：if(!tryAcquire(…)&&acquireQueued(…))，所以，返回true，不会触发。
好了，下面需要进入tryAcquire看看如何实现。

4.3.1 tryAcquire

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync#tryAcquire
此时进入tryAqcuire，这里，封装可一个方法，nonfairTryAcquire，所以，要探究竟，要进入该方法。

4.3.1.1 nonFairTryAcquire

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync#nonfairTryAcquire
使当前线程持有锁的次数+1，保证逻辑正常执行。
进入该方法，可知，首先获取state，因为第一次获取锁后，state=1，
此时，会进入else if的逻辑，同一线程，则保证：current == getExclusiveOwnerThread()为true，
所以，此时，会将当前线程持有锁的次数+1，即next = c + acquires
当然了，释放锁的时候，也要逐步释放。

4.3.2 addWaiter

这是什么操作？
将线程放入队列。填充队列prev和tail，这里，填充了prev才能保证后面的方法acquireQueued返回true。
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#addWaiter

4.3.3 acquireQueued

进一步确认当前线程在队列，而不强行中断，保证线程正常执行。
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued

5 小结

• 可重入，即一个线程可以多次（重复）进入同类型的锁而不出现异常（死锁）；
• ReentrantLock提供两类锁：公平锁和非公平锁；
• 可重入是因为可重锁lock中核心逻辑：如果CAS，成功，则继续执行设置独占，setExclusiveOwnerThread；CAS失败，进入可重入逻辑；
• 可重入执行逻辑入口：acquire(…)，java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#acquire
• 可重入的核心三个操作：
  • （1）addWaiter：线程入队；
  • （2）acquireQueued：确认线程在队列中，不中断线程，返回false；
  • （3）tryAcquire：同一线程获取锁次数+1，不中断线程，返回true；
• 保证线程不中断：if(!tryAcquire(…)&&acquireQueued)。