详述重入锁-ReentrantLock

什么是重入锁？

锁主要用来控制多线程访问的行为，对于同一个线程，如果连续两次对同一把锁进行lock，那么这个线程会被卡死在那里，这样的特性很不好，在实际的开发中，方法之间的调用方式错综复杂，如果不小心可能在多个不同的方法中，反复调用 lock()，这样就会把自己卡死。

所以，重入锁就是用来解决这个问题的，重入锁使同一个线程可以对同一把锁在不释放的前提下，反复的加锁不会导致线程的卡死，唯一的一点就是需要保证 unlock() 的次数和 lock()一样的多。

重入锁的实现

Java中的锁都来自与 Lock 接口，而 ReadWriteLoc k实现的 lock 接口，本文主要分析这两个接口的几个子类的实现细节。

而重入锁最重要的方法就是lock()。

• lock()：加锁，如果锁已经被别人占用了，就无限等待
• tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：尝试获取锁，等待timeout时间。同时，可以响应中断
• unlock() ：释放锁
• tryLock()：不会进行任何等待，如果能够获得锁，直接返回true，如果获取失败，就返回false
• lockInterruptibly()：可以响应中断，lock方法会阻塞线程直到获取到锁
• newCondition()：返回一个条件变量，一个条件变量也可以做线程间通信来同步线程。

重入锁实现原理

重入锁实现的主要类如下图：

重入锁的核心功能委托给内部类 Sync 实现，并且根据是否是公平锁有 FairSync 和 NonfairSync 两种实现。这是一种典型的策略模式。

实现重入锁的方法很简单，就是基于一个状态变量 state。这个变量保存在AbstractQueuedSynchronizer对象中

private volatile int state;

当 stat e== 0 时，表示锁是空闲的，大于零表示锁已经被占用， 它的数值表示当前线程重复占用这个锁的次数。因此，lock() 的最简单的实现是：

final void lock() {
        // CAS设置共享状态，返回true表示成功获取共享状态
        if (compareAndSetState(0, 1))
            // 设置当前线程为共享状态的持有线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 否则调用AQS中的acquire(int arg)尝试获取同步状态，失败则加入等待队列，自旋获取共享状态
            acquire(1);
    }

下面是acquire() 的实现：

 public final void acquire(int arg) {
 //tryAcquire() 再次尝试获取锁，
 //如果发现锁就是当前线程占用的，则更新state，表示重复占用的次数，
 //同时宣布获得所成功,这正是重入的关键所在
 if (!tryAcquire(arg) &&
     // 如果获取失败，那么就在这里入队等待
     acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
     //如果在等待过程中 被中断了，那么重新把中断标志位设置上
     selfInterrupt();
}

下面我们说一下公平锁 和 非公平锁

公平的重入锁

初始化时， state = 0，表示无人抢占了锁。这时候，这时线程 A 请求锁，获得了锁，把 state + 1，如下所示：

线程 A 取得了锁，把 state +1,这时候 state 改为 1，线程 A 继续执行其他任务，此时线程B请求锁，线程 B 无法获取锁，生成节点进行排队，如下图所示：

初始化的时候，会生成一个空的头节点，然后才是线程 B 节点，这时候，如果线程 A 又请求锁，是否需要排队？答案当然是否定的，否则就直接死锁了。当 A 再次请求锁，这时候的状态如下图所示：

到了这里，相信大家应该明白了什么是可重入锁了吧。就是一个线程在获取了锁之后，再次去获取了同一个锁，这时候仅仅是把状态值进行累加。如果线程 A 释放了一次锁，如下图所示：

仅仅是把状态值减了，只有线程 A 把此锁全部释放了，状态值减到 0 了，其他线程才有机会获取锁。当线程 A 把锁完全释放后，state 恢复为 0，然后会通知队列唤醒线程 B 节点，使B可以再次竞争锁。当然，如果线程 B 后面还有线程 C，线程 C 继续休眠，除非 B 执行完了，通知了线程 C。注意，当一个线程节点被唤醒然后取得了锁，对应节点会从队列中删除。

非公平的重入锁

理解了公平锁的话，那非公平锁就容易理解了，当线程 A 执行完之后，要唤醒线程 B 是需要时间的，而且线程 B 醒来后还要再次竞争锁，所以如果在切换过程当中，来了一个线程 C，那么线程 C 是有可能获取到锁的，如果线程 C 获取到了锁，线程 B 就只能继续等待休眠了。

那公平锁和非公平锁实现的核心区别在哪里呢？如下所示：

//非公平锁 
 final void lock() {
     //直接抢了再说
     if (compareAndSetState(0, 1))
         setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
     else
         //抢不到，就进队列慢慢等着
         acquire(1);
 }

 //公平锁
 final void lock() {
     //直接进队列等着
     acquire(1);
 }

我们从代码中可以看到，非公平锁如果第一次争抢失败，后面的处理和公平锁是一样的，都是进入等待队列慢慢等。

而对应tryLock()方法也非常类似的：

 //非公平锁 
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // 如果当前共享状态未被其他线程占用
        if (c == 0) {
            // 尝试通过CAS占有当前共享状态
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 设置共享状态持有线程为当前线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果共享状态已被占用，则判断当前占用共享状态的线程是否就是当前线程
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 如果是则自增获取次数，设值state
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) 
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

//非公平锁 
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 获取到当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取当前同步状态
        int c = getState();
        // 如果同步状态为0，则说明当前同步状态已完全释放
        if (c == 0) {
            // 1、hasQueuedPredecessors判断当前节点是否存在前驱节点
            // 2、如果不存在则CAS设置state的值
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 前两个都满足则，设置同步状态持有的线程为当前线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 否则判断当前线程和持有共享状态的线程是否是同一个线程
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 如果是，重入，状态值增加
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 设值新的状态值
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

引入 Condition

Condition 的作用与 Object.wait() 和 Object.notify() 的作用大致是相同的。但是 wait() 和 notify() 方法是与synchronized 关键字合作使用的，而 Condition 是与重入锁相关联的。通过 Lock 接口（重入锁实现了这一接口）的new Condition() 方法可以生成一个与当前重入锁绑定的 Condition 实例。利用 Condition 对象，可以让线程在合适的时间等待，或者在某一个特定的时间得到通知。

Condition 接口提供的方法

/**
  * 使当前线程进入等待状态直到被通知(signal)或中断
  * 当其他线程调用 singal() 或 singalAll() 方法时，该线程将被唤醒
  * 当其他线程调用 interrupt() 方法中断当前线程
  * await() 相当于 synchronized 等待唤醒机制中的 wait() 方法
  */
  void await() throws InterruptedException;

//当前线程进入等待状态，直到被唤醒，该方法不响应中断要求
void awaitUninterrruptibly();

 //调用该方法，当前线程进入等待状态，直到被唤醒或被中断或超时
 //其中 nanosTimeout 指的等待超时时间，单位纳秒
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

//同 awaitNanos，但可以指明时间单位
boolean await(long time, TmeUnit unit) throws InterruptedException;

 //调用该方法当前线程进入等待状态，直到被唤醒、中断或到达某个时
 //间期限(deadline),如果没到指定时间就被唤醒，返回 true，其他情况返回 false
boolean await(Date deadline) throws InterruptedException;

//唤醒一个等待在 Condition 上的线程，该线程从等待方法返回前必须
//获取与 Condition 相关联的锁，功能与notify()相同
void signal();

//唤醒所有等待在 Condition 上的线程，该线程从等待方法返回前必须
//获取与 Condition 相关联的锁，功能与 notifyAll() 相同
void signalAll();

代码演示一下 Condition 的使用：

public class ReentrantLockCondition implements Runnable{

	public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //通过 ReentrantLock 创建 Condition 实例，并与之关联
    public static Condition  condition = lock.newCondition();

    @Override
    public void run()
    {
        try
        {
            lock.lock();
            condition.await();
            System.out.println("Thread is going on");
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally
        {
            lock.unlock();
        }
    }
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		// TODO Auto-generated method stub
		ReentrantLockCondition condition1 = new ReentrantLockCondition();
        Thread thread= new Thread(condition1 );
        thread.start();
        Thread.sleep(2000);
        lock.lock();
        condition.signal();
        lock.unlock();
	}

}

与 Object.wait() 和 Object.notify() 方法类似，当前线程使用 Condition.await() 时，要求线程持有相关的重入锁，在Condition.await() 调用后，这个线程会释放这把锁。同理，在 Condition.signal() 方法调用时，也要求线程先获得相关的锁。在 signal() 方法调用后，系统会从当前 Condtion 对象的等待队列中，唤醒一个线程。一旦线程被唤醒，它会重新尝试获得与之绑定的重入锁，一旦成功获取，就可以继续执行了。因此，在 signal() 方法调用之后，一般需要释放相关的锁，谦让给被唤醒的线程，让它可以继续执行。

总结

对于重入锁，这里我们需要知道几点：

• 对于同一个线程，重入锁允许你反复获得通一把锁，但是，申请和释放锁的次数必须一致
• 默认情况下，重入锁是非公平的，公平的重入锁性能差于非公平锁
• 重入锁的内部实现是基于 CAS 操作的
• 重入锁的伴生对象 Condition 提供了 await() 和 singal() 的功能，可以用于线程间消息通信