Java 7之多线程第8篇 - 互斥锁 ReentrantLock
ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。也就是说ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取。
Java的synchronized块并不保证尝试进入它们的线程的顺序。因此，如果多个线程不断竞争访问相同的synchronized同步块，就存在一种风险，其中一个或多个线程永远也得不到访问权 —— 也就是说访问权总是分配给了其它线程。这种情况被称作线程饥饿。为了避免这种问题，锁需要实现公平性。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。
- 在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；
- “非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。
来看一下ReentrantLock互斥锁的构造函数：
public ReentrantLock() { // 默认非公平锁
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) { // 通过参数判断选择公开锁还是非公平锁
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
当我们在程序中通过如下方式获取到实例后，就可以调用lock()方法进行独占锁的获取了，如下：
private Lock lock = new ReentrantLock();调用lock.lock()方法可以获取独占锁，源代码如下：
public void lock() {
sync.lock();
}
其基本的方法调用流程如下所示，后面将会进行详细的讲解。
static final class FairSync extends Sync {
final void lock() {
acquire(1); // 直接调用acquire()方法获取锁
}
// 试着去获取锁. 只有递归调用、或者没有等待者或者在等待队列的第一个时获取到该锁.
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取当前线程
int c = getState(); // 获取独占锁的状态
if (c == 0) { // c=0 意味着锁没有被任何线程锁拥有
// 若锁没有被任何线程锁拥有,则判断当前线程是不是CLH队列中的第一个线程线程，
if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);// 获取该锁，设置锁的状态，并切设置锁的拥有者为当前线程
return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//独占锁的拥有者已经为当前线程
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); // 更新锁的状态
return true;
}
return false;
}
}在静态的不变类中调用lock()方法，这个方法会调用AbstractQueueSynchronizer类中的acquire()方法，并传递参数1.
由于ReentrantLock是可重入锁，所以独占锁可以被单个线程多此获取，每获取1次就将锁的状态加1。 也就是说，初次获取锁时，通过acquire(1)将锁的状态值设为1；再次获取锁时，将锁的状态值设为2；依次类推...
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}首先要看tryAcquire()方法调用返回的结果。如果锁不是被当前的线程占用，则返回false，否则直接就获取到这个锁了。
对比代码和方法调用流程图，下一部就是调用addWaiter()方法了，并传递参数Node.EXCLUSIVE，表示是独占锁类型。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 新建一个Node节点，节点对应的线程是当前线程，当前线程的锁的模型是mode。
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
// 若队列不为空，则将当前线程添加到队列末尾
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 以原子的方式进行添加
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);// 若队列为空，则调用enq()新建队列，然后再将当前线程添加到队列中
return node;
}如上方法是将这个请求独占锁类型的线程添加到了队列的末尾。由于在添加的时候，要防止可能其他的线程对队列进行了修改，所以调用了compareAndSetTail()方法进行处理，如果对这个方法的基本原理不明白，可以参见：
传送门 - http://write.blog.csdn.net/postedit/18908493
接下来调用acquireQueued()方法，并将代表当前线程的节点做为参数传递，源码如下：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// interrupted表示在队列的调度中,当前线程在休眠时，有没有被中断过
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取上一个节点,node是当前线程对应的节点，这里就意味着获取上一个等待锁的线程
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {// 使用p==head来保证锁的公平性。如果当前线程是因为“线程被中断”而唤醒，那么显然就不是公平了
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted; // 只有在这里才能跳出死循环
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
注意，在for(;;)死循环中，唯一跳出去的途径就是满足p==head和tryAcquire()方法返回值为true。也就是说，当前线程会根据公平性原则进行阻塞等待直到获取锁为止。
（1）当p==head时，表示当前线程前面的线程已经得到执行，这样就保证了锁的公正性。即按照队列的先后顺序进行执行。
（2）tryAcquire()方法返回true时，表示当前线程成功获取了独占公平锁。可以进行返回了。但是返回的并不是true，而是interrupted变量的值。那么这又是怎么回事呢?
其实为了保证绝对的公平性，代码考虑到了中断这种特殊的情况。线程被阻塞后有在这样的代码中两种情况可以唤醒：
第1种情况：unpark()唤醒。“前继节点对应的线程”使用完锁之后，通过unpark()方式唤醒当前线程。
第2种情况：中断唤醒。其它线程通过interrupt()中断当前线程。
对于第2种情况，线程在阻塞状态被中断唤醒而获取到cpu执行权利。但是，如果该线程的前面还有其它等待锁的线程，根据公平性原则，该线程依然无法获取到锁。它会再次阻塞！ 该线程再次阻塞，直到该线程被它的前面等待锁的线程锁唤醒；线程才会获取锁并执行。
所以如果以下代码如果执行的话，会让interrupted变量为true。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
// 获取锁失败后判断当前线程是否应该阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 如果前继节点是SIGNAL状态，则意味这当前线程需要被unpark唤醒。此时，返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {// 前继节点是取消状态
do {
node.prev = pred = pred.prev;//设置 当前节点的 前继节点为 原前继节点的前继节点
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 如果前继节点为0或者共享锁状态，则设置前继节点为SIGNAL状态
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}也就是说：
（1）如果前继节点状态为SIGNAL(后继线程需要被唤醒)，表明当前节点需要被unpark(唤醒)，此时则返回true。则interrupted值为false，当前线程不会产生自中断。
（2）如果前继节点状态为CANCELLED(ws>0)，说明前继节点已经被取消，则通过先前回溯找到一个有效(非CANCELLED状态)的节点，并返回false
（3）如果前继节点状态为非SIGNAL、非CANCELLED，那么就是需要被Condition唤醒或者是共享的线程，则设置前继的状态为SIGNAL，并返回false。
// Convenience method to park and then check if interrupted
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 通过LockSupport的park()阻塞当前线程
return Thread.interrupted(); // 返回线程的中断状态
}如果acquire()方法的if条件判断全部为真，则会产生一个自中断，如下：
// 当前线程产生一个自我中断
private static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
1、获取非公平的独占锁
来看一下非公平独占锁调用方法的流程，如下图：
其实大部分的流程是一样的，只是在开始的时候实现的方法不一样，如下：
// 非公平方式获取锁
static final class NonfairSync extends Sync {
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))// 如果线程没有被持有，则以原子方式设置为1，表示持有
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 设置为当前线程持有
else
acquire(1); // 锁被持有，调用acquire()方法获取
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
公平方式获取时是直接调用acquire()方法，而非公平锁获取首先会判断锁有没有被占用，如果没有则直接获取。接下来再调用acquire()方法，其实在调用acquire()方法时与获取公平锁的流程是一样的，这里就不再说了，看一下tryAcquire()方法中调用的nonfairTryAcquire()方法，如下：
// 不公平方式来获取锁状态
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();// 获取当前线程
int c = getState(); // 获取锁的状态
if (c == 0) { // c=0意味着锁没有被任何线程锁拥有
// 若锁没有被任何线程锁拥有，则通过CAS函数设置锁的状态为acquires
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);//设置当前线程为锁的持有者
return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 如果锁的持有者已经是当前线程，则将更新锁的状态。
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}这里与获取公开锁也有区别。公正锁在锁没有被占有有时候，还会比较当前线程是不是在队列的头部，然后再决定，这里是直接获取到了这个独占锁，也体现出了锁的非公平获取。
3、锁的释放操作
释放操作的流程相对简单，首先调用unlock()方法，代码如下：
public void unlock() {
sync.release(1);
}由于锁是可重入的，所以对于同一个线程，每释放锁一次，锁的状态要减去1。
// 试着释放当前线程持有的锁并唤醒后继节点
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {//试着释放当前线程持有的锁
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);// 唤醒后继节点
return true;
}
return false;
} 释放锁时，调用tryRelease()进行释放。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; // c是本次释放锁之后的状态
// 如果当前线程不是锁的持有者,则抛出异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 如果锁已经被当前线程彻底释放
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);//设置锁的持有者为null,即锁是可获取状态
}
setState(c); // 设置当前线程的锁的状态。
return free;
}
更新当前线程对应的锁的状态。如果当前线程对锁已经彻底释放，也就是state为0，则设置锁的持有线程为null，设置当前线程的状态为空，然后唤醒后继线程。
// 唤醒一个有效的后继节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus; // 获取当前线程的状态
if (ws < 0) // 如果状态<0,以原子的方式设置状态=0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 获取当前节点的有效的后继节点，无效的话，则通过for循环进行获取。
// 这里的有效，是指“后继节点对应的线程状态<=0
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) { // 为空或已经被取消
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)// 队列从后到前查找waitStatus<=0的节点
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null) // 唤醒后继节点s对应的线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
需要注意的是，在使用这个锁的时候，必须在finally块中释放锁。否则，如果在被保护的代码块中抛出异常，那么这个锁就永远也无法得到释放。