图解ReentrantLock底层公平锁和非公平锁实现原理

原创/朱季谦

在面试或者日常开发当中，经常会遇到公平锁和非公平锁的概念。

两者最大的区别如下

1️⃣ 公平锁：N个线程去申请锁时，会按照先后顺序进入一个队列当中去排队，依次按照先后顺序获取锁。就像下图描述的上厕所的场景一样，先来的先占用厕所，后来的只能老老实实排队。

2️⃣ 非公平锁：N个线程去申请锁，会直接去竞争锁，若能获取锁就直接占有，获取不到锁，再进入队列排队顺序等待获取锁。同样以排队上厕所打比分，这时候，后来的线程会先尝试插队看看能否抢占到厕所，若能插队抢占成功，就能使用厕所，若失败就得老老实实去队伍后面排队。

针对这两个概念，我们通过ReentrantLock底层源码来分析下 ：公平锁和非公平锁在ReentrantLock类当中锁怎样实现的。

ReentrantLock内部实现的公平锁类是FairSync，非公平锁类是NonfairSync。

当ReentrantLock以无参构造器创建对象时，默认生成的是非公平锁对象NonfairSync，只有带参且参数为true的情况下FairSync，才会生成公平锁，若传参为false时，生成的依然是非公平锁，两者构造器源码结果如下

​ 图1

在实际开发当中，关于ReentrantLock的使用案例，一般是这个格式

 class X {    
   private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();    
   // ...      
   public void m() {      
     lock.lock();  
     // block until condition holds      
     try {        
       // ... method body      
     } finally {        
       lock.unlock()      
     }    
   }  
 }

这时的lock指向的其实是NonfairSync对象，即非公平锁。

当使用lock.lock()对临界区进行占锁操作时，最终会调用到NonfairSync对象的lock()方法。根据图1可知，NonfairSync和FairSync两者的lock方法实现逻辑是不一样的，而体现其锁是否符合公平与否的地方，就是在两者的lock方法里。

可以看到，在非公平锁NonfairSync的上锁lock方法当中，若if(compareAndSetState(0,1))判断不满足，就会执行acquire(1)方法，该方法跟公平锁FairSync的lock方法里调用的acquire(1)其实是同一个，但方法里的tryAcquire具体实现又存在略微不同，这里后面会讨论。

这里就呼应前文提到的非公平锁的概念——当N个线程去申请非公平锁，它们会直接去竞争锁，若能获取锁就直接占有，获取不到锁，再进入队列排队顺序等待获取锁。这里的“获取不到锁，再进入队列排队顺序等待获取锁”可以理解成⏩——当线程过来直接竞争锁失败后，就会变成公平锁的形式，进入到一个队列当中，按照先后顺序排队去获取锁。

而if(compareAndSetState(0,1))语句块的逻辑，恰好就体现了“当N个线程去申请非公平锁，它们会直接去竞争锁，若能获取锁就直接占有”这句话的意思。

首先，先来分析NonfairSync的lock()方法原理，源码如下

final void lock() {
  //先竞争锁，若能竞争成功，则占有锁资源
    if (compareAndSetState(0, 1))
      //将独占线程成员变量设置为当前线程，表示占有锁资源的线程
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

compareAndSetState(0, 1)就是一个当前线程与其他线程抢占锁的过程，这里面涉及到AQS的知识点，因此，阅读本文时，需具备一定的AQS基础。

JUC的锁实现是基于AQS实现的，可以简单理解成，AQS里定义了一个private volatile int state变量，若state值为0，说明无线程占有，其他线程可以进行抢占锁资源；若state值为1，说明已有线程占有锁资源，其他线程需要等待该占有锁的线程释放锁资源后，方能进行抢占锁的动作。

线程在抢占锁时，是通过CAS对state变量进行置换操作的，期望值expect是0，更新值update为1，若期望值expect能与内存地址里的state值一致，就可以通过原子操作将内存地址里state值置换成更新值update，返回true，反之，就置换失败返回false。

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

可见，这里的if (compareAndSetState(0, 1))就体现了非公平锁的机制，当前线程会先去竞争锁，若能竞争成功，就占有锁资源。

若竞争锁失败话，就会执行acquire(1)方法，其原理就相当走跟公平锁类似的逻辑。

acquire(1);

进入acquire方法，该方法是位于AbstractQueuedSynchronizer里，就是前文提到的AQS，即抽象同步队列器，它相当提供一套用户态层面的锁框架，基于它可以实现用户态层面的锁机制。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

注意一点，NonfairSync和FairSync调用的acquire(int arg)方法中的tryAcquire方法，其实现是不同的。NonfairSync调用的acquire方法，其底层tryAcquire调用的是NonfairSync重写的tryAcquire方法；FairSync调用的acquire方法，其底层tryAcquire调用的是FairSync重写的tryAcquire方法。

NonfairSync类的acquire方法的流程图如下

先分析非公平锁的!tryAcquire(arg)底层源码实现，该方法的整体逻辑是，通过getState()获取state状态值，判断是否已为0。若state等于0了，说明此时锁资源处于无锁状态，那么，当前线程就可以直接再执行一遍CAS原子抢锁操作，若CAS成功，说明已成功抢占锁。若state不为0，再判断当前线程是否与占有资源的锁为同一个线程，若同一个线程，那么就进行重入锁操作，即ReentrantLock支持同一个线程对资源的重复加锁，每次加锁，就对state值加1，解锁时，就对state解锁，直至减到0最后释放锁。

最后，若在该方法里，通过CAS抢占锁成功或者重入锁成功，那么就会返回true，若失败，就会返回false。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    //获取当前线程引用
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //获取AQS的state状态值
    int c = getState();
    //若state等于0了，说明锁处于无被占用状态，可被当前线程抢占
    if (c == 0) {
        //再次尝试通过CAS抢锁
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            //将独占线程成员变量设置为当前线程，表示占有锁资源的线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //判断当前线程是否与占有锁资源的线程为同一个线程
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
      //每次重入锁，state就会加1  
      int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

在 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))代码当中，根据 &&短路机制，若!tryAcquire(arg)为false，就不会再执行后面代码。反之，若!tryAcquire(arg)为true，说明抢占锁失败了或者不属于重入锁，那么就会继续后续acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))代码的执行。acquireQueued里面的逻辑，就可以理解成“获取不到锁，再进入队列排队顺序等待获取锁”。这块内容涉及比较复杂的双向链表逻辑，我后面会另外写一篇文章深入分析，本文主要是讲解公平锁和非公平锁的区别科普。

FairSync公平锁lock方法里acquire(1)的逻辑与非公平锁NonfairSync的acquire(1)很类似，其底层实现同样是这样

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

我们来看下FairSync类里重实现的tryAcquire与NonfairSync最终执行的tryAcquire区别

可以看到，公平锁FairSync的tryAcquire方法比NonfairSync的nonfairTryAcquire方法多了一行!hasQueuedPredecessors()代码。

在FairSync公平锁里，若hasQueuedPredecessors()返回false，那么!hasQueuedPredecessors()就会为true，在执行以下判断时，就会通过compareAndSetState(0, acquires)即CAS原子抢占锁。

if (!hasQueuedPredecessors() &&
    compareAndSetState(0, acquires)) {
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

那么，什么情况下，hasQueuedPredecessors() 能得到false值呢？

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    // The correctness of this depends on head being initialized
    // before tail and on head.next being accurate if the current
    // thread is first in queue.
    Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

❗存在两种情况：

1️⃣ 第一种情况，h != t为false，说明head和tail节点都为null或者h和t都指向一个假节点head，这两种情况都说明了，此时的同步队列还没有初始化，简单点理解，就是在当前线程之前，还没有出现线程去抢占锁，因此，此时，锁是空闲的， 同时当前线程算上最早到来的线程之一（高并发场景下同一时刻可能存在N个线程同时到来），就可以通过CAS竞争锁。

2️⃣ 第二种情况，h != t为true但(s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()为false，当头节点head和尾节点都不为空且指向不是同一节点，就说明同步队列已经初始化，此时至少存在两个以上节点，那么head.next节点必定不为空，即(s = h.next) == null会为false，若s.thread != Thread.currentThread()为false，说明假节点head的next节点刚好与当前线程为同一节点，也就意味着，当前线程排在队列最前面，排在前面的可以在锁空闲时获取锁资源，就可以执行compareAndSetState(0, acquires)去抢占锁资源。

若同步队列已经初始化，且当前线程又不是在假节点head的next节点，就只能老老实实去后面排队等待获取锁了。