【从零开始学习Java重要知识 | 第三篇】暴打ReentrantLock底层源码

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前言：

前置知识： 

什么是公平锁与非公平锁？

尝试自己构造一把锁：

ReentrantLock源码：

加锁：

解锁：

总结：

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前言：

在并发编程中，线程安全是一个重要的问题。为了保证多个线程之间的互斥访问和正确的同步操作，Java提供了一种强大的锁机制——ReentrantLock（可重入锁）。

与synchronized相比，ReentrantLock提供了更加灵活和强大的功能。它支持公平锁和非公平锁两种模式，可以通过lock()和unlock()方法手动控制锁的获取和释放，并且可以实现可重入特性，即同一个线程可以多次获得同一个锁而不会发生死锁。

在本文中，我们将详细讲解ReentrantLock的使用方法，包括基本的锁操作、可重入特性、公平性设置、条件变量和中断等。我们还将对比ReentrantLock和synchronized的性能差异，并给出一些适用场景的建议。

在正式介绍ReentrantLock之前，我们要先来学习一些前置知识，方便大家更好的理解ReentrantLock源码。

前置知识： 

什么是公平锁与非公平锁？

公平锁：

        公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序依次获取锁，即先到先得的原则。当一个线程释放锁后，等待时间最长的那个线程将获得锁的访问权。公平锁可以避免线程饥饿，保证每个线程都有机会获得锁，但可能会降低系统的整体吞吐量。

非公平锁：

        非公平锁是指多个线程竞争锁时，不考虑线程的等待时间，直接尝试获取锁。如果当前锁没有被其他线程持有，则该线程立即获得锁的访问权，即先到先得。非公平锁的性能相对较好，因为它减少了线程切换和调度的开销，但可能会导致某些线程一直无法获取到锁，产生线程饥饿的问题。

简而言之：公平锁在线程获取锁的时候，等待时间最长的线程获取锁的访问权。非公平锁是线程自由竞争，不存在按照等待时间排序。

而ReentrantLock既可以是公平锁，也可以是非公平锁。无参构造情况下是非公平锁。

尝试自己构造一把锁：

锁的基本原理就是：加锁就是放行或者阻塞当前线程。放锁就是唤醒被阻塞的线程。

基于这个思想，我们很快就可以设计出一个最简单的锁：

public class LiLocks {
    int statue =0;
    public void lock()
    {
        while ( statue!=0)
        {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"等待锁");
        }
        statue=1;
    }
    public void unlock()
    {
        statue=0;
    }
}

但是这个锁存在一个最基本的问题：并不能处理全部情况：

        理想状态下，A线程进入lock之后，先判断当前statue==0，之后做statue自增操作。这样当下一个线程进入的时候就会被阻塞到while循环中，直到A线程进入unlock方法对statue做递减操作。如果statue==0的话，就相当于释放锁。

而在有些特殊情况下，当A线程比较完之后，还没来得及给statue赋值，另外一个B线程就抢到了资源调度，由于此时statue还没变值，所以此时B线程仍然可以通过比较不进入while循环。就造成了加锁失败的情况

 也就是说：如果我们想要优化这个锁，那么就需要使得判断statue==0和赋值statue=1具有原子性。

这两步就是CAS(Compare And Swap),只不过我们的CAS是自己写的，所以不具备原子性。那么我们调用Java为我们提供的具有原子性的CAS操作就好了。

而Java为我们提供的具有原子性的cas操作来自Unsafe类，那么我们使用Unsafe类来改造代码：

public class LiLock {
    private static Unsafe unsafe;
    volatile  int statue =0;

    static {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    long objectOffset = unsafe.objectFieldOffset(LiLock.class.getDeclaredField("statue"));

    public LiLock() throws NoSuchFieldException {

    }

    public void lock() throws NoSuchFieldException {

        while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, objectOffset, 0, 1))
        {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is waiting");
        }
    }
    public void unlock() {
        statue=0;
    }
}

在这里，我们简单实现了一个自旋锁。而我们如果想要把这个锁改为公平锁，要怎么做呢？

也就是说：当此时有1,2,3 总共三个线程的时候，如果1线程获取到了锁，那么我们如何让2，3线程按照顺序获取锁呢？

假设线程2此时已经被while循环阻塞了，如果此时线程3来的话，那么我们是不能让线程3进入while阻塞的。如果3也被阻塞的话，那么不就是说2和3又在同一起跑线了。无法保证2先来就先获取到锁。

所以此时的问题就在于：如何不使用相同的while来阻塞3线程，让2线程优先获得到锁？

我们回顾一下我们之前学过的阻塞一个线程的方式:

1.wait():使用不了，他需要和synchronized 关键字一起使用，而我们是在自己写锁，当然不能使用synchronized

2.sleep():使用不了，我们不知道线程1需要多长时间才会释放锁，因此无法确定让线程2，3睡眠多长时间。

3.while(ture):使用不了，使用这个还是将线程2，3放到一个起跑线了，无法确保先来的线程2一定能过比线程3获取到锁

基于这三种方法都使用不了，我们只能采用第四种：LockSupport类中的park()方法，它可以阻塞一个线程，使其不消耗cpu资源，直至被其他线程唤醒或者中断

那么我们直接对线程3采用park方法就可以了。通过这种机制，我们就实现了公平锁的机制。

通过上述知识，我们引入了公平锁的基本实现方式，理解如何构造一个公平锁有利于我们阅读ReentrantLock源码。

ReentrantLock源码：

加锁：

        最外层：

这段代码的基本逻辑为：如果当前线程不能获取锁，则会进入等待队列中等待，并在等待过程中不断尝试获取锁。如果当前线程被中断，则会重新设置中断标志。

我们在这里主要聊的是加锁，因此我们就先看tryAcquire这个方法：

这个方法分为两个实现：公平锁和非公平锁，因此我们逐个来看：

公平锁：

我们来先看一下这个方法中调用的一些比较重要的方法：

1.setExclusiveOwnerThread():将锁的拥有线程修改为当前线程。

2.compareAndSetState():具有原子性的CAS操作。

3.getExclusiveOwnerThread()：获取当前持有锁的线程对象。

4.setState：设置当前锁的状态。 

5.hasQueuedPredecessors()：判断当前线程是否需要排队

在了解完这些方法之后，其实了解公平锁的代码逻辑就很简单了。

公平锁的基本代码逻辑为：

1.获取当前线程和锁状态。

2.如果当前锁没有被线程获取（c==0），进一步判断：当前线程是否需要排队（！hasQueuedPredecessors()）,如果不需要就进行CAS操作，将状态从0变为acquirs。并且设置锁的持有线程为当前线程。返回结果为true。

3.如果当前锁已经被线程获取，则再次判断获取锁的线程是不是当前线程（current == getExclusiveOwnerThread()）如果是的话，更新状态值nextc为c+acquires（setStates（sextc）)，返回ture。

4.如果当前锁已经被获取，且获取线程不是当前线程，则返回false

这里的整体逻辑其实和我们自己构造的公平锁逻辑很相似了。主要的区别在于：我们为什么在这里把获取锁的状态值设置为了acquire，而不是简单的1？

其实道理很简单，设置为acquire之后，我们就可以根据状态值判断锁的重入次数。这样在释放的时候才不会释放错误。        

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非公平锁：

非公平锁的代码逻辑几乎和公平锁一样，只不过在判断当前锁没有线程获取的时候，我们不再调用 hasQueuedPredecessors(）方法来检测当前线程是否需要排队。也就是自由竞争。

让我们回到加锁的最外层： 

而如何把一个线程加入到等待队列中也是热门面试题，因此我们在这里也顺带讲一下：

在ReentrantLock的加锁外层中，为了把一个线程放到等待队列中，我们使用了addWaiter方法:

addWaiter是AQS提供的代码：

整体的代码逻辑也很简单：

先接收传递过来的节点，再用一个for构成的死循环抱住核心逻辑代码。这样是确保进入该方法的线程都可以被添加到队列当中。因为for死循环了。

让我们解读一下源代码：

1.先获取到同步队列的尾节点，之后对尾节点进行非空判断，如果为空，就先初始化队列。

2.如果尾节点不为空，先设置待加入节点的前驱节点为尾节点。

3.使用cas操作，使得tail更新为node。（tail为始终指向尾节点的一个变量）

4.将实际尾节点的next指针指向node。

5.返回node。

这样我们就完成了一次添加尾节点。其实就是一个很简单的尾插法。而我们要讲一下：为什么在更新Tail变量的时候，要使用cas操作？

这是因为在多线程竞争的条件下，我们要保证始终只有一个节点获取到tail，成为真正的尾节点，如果不使用cas算法来对tail进行维护的话，那么多个线程同时获取到tail之后，就会引发线程竞争。

目前我们已经知道了addwaiter的作用就是把线程加入到阻塞队列中，那么下一步很明显就应该是阻塞在队列中的线程了，但是我们想一想逻辑：阻塞队列是先进先出的，那么在阻塞和唤醒的时候，就应该是：当前线程自己阻塞后，由前一个线程唤醒。由图可看：

而我们的新加节点也不是直接阻塞的，他需要告知前一个节点，而node节点 中就为我们维护了这样一个变量：

当某一个node对象的waitStatus的值为0的时候，意味着他在释放锁之后不需要unpark其他对象，反之如果它的值为-1的话，就需要在释放锁之后unpark其他对象。 

那么很显然，这段代码逻辑应该就是在acquireQueued这个方法中执行的;

 让我们来看一看这个方法：

这段方法的逻辑为：先获取到这个节点的前一个节点：如果前一个节点为头节点的话，说明当前线程是一个进行排队的，那么就调用tryAcquire方法进行加锁。

如果加锁成功，就调用setHead方法，把线程变为头节点。

这种方式使得加锁成功后，线程不会再留到这个队列当中。

如果不是头节点，就调用shouldParkAfterFailedAcquire（）方法：

这个其实就是我们之前讲到的设置waitStatus的逻辑。 

我们分别来看这几个代码的逻辑：

1.如果前驱节点的waitStatus等于-1。就返回ture。

2.如果前驱节点的waitStatus>0.则说明此前驱节点不可用，我们就一直往前找，直到找到前驱节点小于等于0的节点。 

3.如果前驱节点的waitStatus=0，就使用CAS操作，将其值更新为-1。

我们来看看外围方法：

 也就是说：当shouldParkAfterFailedAcquire方法返回ture（前驱节点的waitstatus=-1）的时候，就调用parkandCheckInterrupt方法：

解锁：

这是最外层的方法：基本逻辑为：

先调用tryRelease（arg）来尝试释放锁，如果锁释放成功，则肇东当前头节点，如果头节点不为空且waitstatus的值不为0，则证明有节点需要头节点unpark，那么就调用unparkSuccessor

否则tryRelease(arg)返回false,标识锁释放失败。

因此我们来看一看tryRelease方法：

整体的逻辑为：先用getstate-release（锁支持重入）。之后判断当前线程是否是持有锁的线程。如果不是就抛出异常。之后创建锁的标志量free，false标识释放失败，true标识释放成功。那么当c==0的时候，意味着锁释放完全了，就更新标识量free为true。并且同步设置锁的拥有者为null。再最外层更新锁的状态量state。

这就是解锁的全部过程。

总结：

ReentrantLock 是 Java 并发包中的一个重要类，它提供了一种可重入的互斥锁实现。在多线程环境下，ReentrantLock 提供了更灵活和强大的同步控制机制，相比于 synchronized 关键字，它具有更多的特性和扩展能力。

首先，ReentrantLock 采用了独占模式，即同一时刻只允许一个线程持有锁。这保证了被锁保护的临界区只能被一个线程访问，从而避免了多个线程同时修改共享资源导致的数据竞争和不一致性。

其次，ReentrantLock 支持可重入，也就是说同一个线程可以多次获取同一个锁。这种特性使得线程可以在持有锁的情况下重复进入同一个临界区，并且在退出时释放锁。这样的设计简化了编程模型，并且避免了死锁的可能。

此外，ReentrantLock 还提供了公平性选择的机制。通过构造函数传入的参数可以选择公平模式或非公平模式，默认是非公平模式。在公平模式下，锁会按照请求的顺序分配给等待线程，避免了线程饥饿的情况。在非公平模式下，锁的获取是无序的，可能会导致某些线程一直获取不到锁。

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