Java可重入鎖ReentrantLock詳解

更新時(shí)間：2023年09月27日 10:49:05 作者：賢子磊

這篇文章主要介紹了Java可重入鎖ReentrantLock詳解,ReentrantLock是一個(gè)可重入且獨(dú)占式的鎖,是一種遞歸無(wú)阻塞的同步機(jī)制,它支持重復(fù)進(jìn)入鎖,即該鎖能夠支持一個(gè)線程對(duì)資源的重復(fù)加鎖,除此之外,該鎖的還支持獲取鎖時(shí)的公平和非公平性選擇,需要的朋友可以參考下

Lock接口

在講 ReentrantLock 前，我們先熟悉一下 Lock 接口。在 Lock 接口出現(xiàn)之前， Java 程序主要是靠 synchronized 關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)鎖功能的，而JDK1.5之后，并發(fā)包中增加了 Lock 接口，它提供了與 synchronized 一樣的鎖功能。雖然它失去了像synchronize關(guān)鍵字隱式加鎖解鎖的便捷性，但是卻擁有了鎖獲取和釋放的可操作性，可中斷的獲取鎖以及超時(shí)獲取鎖等多種 synchronized 關(guān)鍵字所不具備的同步特性。 Lock 接口的定義如下

public interface Lock {
    //獲取鎖，若當(dāng)前鎖被其他線程獲取，則此線程會(huì)阻塞等待lock被釋放
    //使用lock方法需要顯式地去釋放鎖，即使發(fā)生異常時(shí)也不會(huì)自動(dòng)釋放鎖。
    void lock();
    //作用同lock方法，并且在獲取鎖的過(guò)程中可以響應(yīng)中斷
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    //嘗試獲取鎖，獲取成功返回true，失敗則返回false
    //即該方法不會(huì)導(dǎo)致線程阻塞，無(wú)論如何都會(huì)返回
    boolean tryLock();
    //作用同tryLock方法，如果獲取到鎖直接返回true
    //新增的特性是如果獲取不到鎖，會(huì)等待一段時(shí)間，且在等待的過(guò)程可以響應(yīng)中斷，一旦超過(guò)等待時(shí)間仍獲取不到鎖，就返回false
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    //釋放鎖
    void unlock();
    //返回一個(gè)綁定該lock的Condition對(duì)象，這個(gè)后續(xù)在Condition專(zhuān)題會(huì)詳細(xì)講解，本文先不贅述
    Condition newCondition();
}

ReentrantLock 完全實(shí)現(xiàn)了Lock接口，也是JDK中唯一實(shí)現(xiàn)Lock接口的類(lèi)（其余都是一些內(nèi)部類(lèi)）。Lock接口的基本模板使用如下所示

//創(chuàng)建lock實(shí)例
Lock lock = new ReentrantLock();
try {
    //加鎖
    lock.lock();
    // do something...
} finally {
    //解鎖
    lock.unlock();
}

什么是ReentrantLock

ReentrantLock是一個(gè)可重入且獨(dú)占式的鎖，是一種遞歸無(wú)阻塞的同步機(jī)制。

它支持重復(fù)進(jìn)入鎖，即該鎖能夠支持一個(gè)線程對(duì)資源的重復(fù)加鎖。

除此之外，該鎖的還支持獲取鎖時(shí)的公平和非公平性選擇。

可重入概念

重進(jìn)入是指任意線程在獲取到鎖之后能夠再次獲取該鎖而不會(huì)被鎖阻塞，該特性的首先需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

線程再次獲取鎖：所需要去識(shí)別獲取鎖的線程是否為當(dāng)前占據(jù)鎖的線程，如果是，則再次獲取成功；
鎖的最終釋放：線程重復(fù)n次獲取了鎖，隨后在第n次釋放該鎖后，其它線程能夠獲取到該鎖。鎖的最終釋放要求鎖對(duì)于獲取進(jìn)行計(jì)數(shù)自增，計(jì)數(shù)表示當(dāng)前線程被重復(fù)獲取的次數(shù)，而被釋放時(shí)，計(jì)數(shù)自減，當(dāng)計(jì)數(shù)為0時(shí)表示鎖已經(jīng)成功釋放。

ReentrantLock和Synchronized對(duì)比

共同點(diǎn)

都可以協(xié)調(diào)多線程對(duì)共享對(duì)象、變量的訪問(wèn)
都是可重入的，同一個(gè)線程可以多次獲得同一個(gè)鎖
都是阻塞式地同步，即一個(gè)線程獲取了鎖，其他訪問(wèn)該鎖的線程必須阻塞在同步塊外等待
性能方面：Synchronized在JDK1.6的一波優(yōu)化后性能與lock差別不大

區(qū)別

ReentrantLock需要自己手動(dòng)地獲取和釋放鎖，而synchronized關(guān)鍵字可以隱式獲得和釋放，無(wú)需用戶(hù)操心。
ReentrantLock具有響應(yīng)中斷，超時(shí)獲取，公平非公平鎖和利用Condition綁定多個(gè)條件等特性，而synchronized不具備這些特性
ReentrantLock是API級(jí)別的，而synchronized是JVM級(jí)別的
ReentrantLock底層實(shí)現(xiàn)采用的是同步非阻塞，樂(lè)觀并發(fā)（CAS）策略。而synchronized是同步阻塞，悲觀并發(fā)。

類(lèi)的繼承關(guān)系

類(lèi)總覽：

ReentrantLock實(shí)現(xiàn)類(lèi)Lock和Serializable接口。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable

類(lèi)的內(nèi)部類(lèi)

ReentrantLock 類(lèi)內(nèi)部總共存在Sync、NonfairSync、FairSync三個(gè)類(lèi)，其中 NonfairSync 與 FairSync 類(lèi)繼承自 Sync 類(lèi)， Sync 類(lèi)繼承自 AbstractQueuedSynchronizer 抽象類(lèi)。

Sync

Sync類(lèi)繼承自AQS，它有兩個(gè)子類(lèi)，分別實(shí)現(xiàn)公平鎖和非公平鎖

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    //序列化版本號(hào)
    private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
    //獲取鎖，需要子類(lèi)自己實(shí)現(xiàn)
    abstract void lock();
    //非公平方式獲取鎖
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
    //釋放鎖
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
    //判斷資源釋放被當(dāng)前線程占用
    protected final boolean isHeldExclusively() {
        return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
    }
    //創(chuàng)建一個(gè)新條件
    final ConditionObject newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }
    // 返回占有資源的線程
    final Thread getOwner() {
        return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
    }
    //返回狀態(tài)
    final int getHoldCount() {
        return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
    }
    //判斷資源是否被占用
    final boolean isLocked() {
        return getState() != 0;
    }
    //自定義反序列化
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        s.defaultReadObject();
        setState(0); // reset to unlocked state
    }
}

NonfairSync

NonfairSync類(lèi)繼承了Sync類(lèi)，表示采用非公平策略獲取鎖，其實(shí)現(xiàn)了Sync類(lèi)中抽象的lock方法

static final class NonfairSync extends Sync {
    //序列化版本號(hào)
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
    //獲取鎖
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
    //嘗試獲取鎖
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

方法細(xì)節(jié)后面詳細(xì)說(shuō)明

FairSync

FairSync類(lèi)也繼承了Sync類(lèi)，表示采用公平策略獲取鎖，其也實(shí)現(xiàn)了Sync類(lèi)中的抽象lock方法

static final class FairSync extends Sync {
    //序列化版本號(hào)
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    //獲取鎖
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    //嘗試公平獲取鎖
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

方法細(xì)節(jié)后面詳細(xì)說(shuō)明

類(lèi)的屬性

//序列化版本號(hào)
private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
//同步器，繼承自AQS，提供各種核心操作
private final Sync sync;

sync屬性非常重要，大部分的鎖操作直接轉(zhuǎn)化為該屬性的方法調(diào)用。

鎖類(lèi)型

ReentrantLock 分為公平鎖和非公平鎖，分別有它的兩個(gè)內(nèi)部類(lèi) FairSync 和 NonfairSync 實(shí)現(xiàn)。

公平鎖

加鎖前檢查是否有排隊(duì)等待的線程，優(yōu)先排隊(duì)等待的線程，先來(lái)先得，即遵循FIFO原則。

非公平鎖

加鎖時(shí)不考慮排隊(duì)等待問(wèn)題，直接嘗試獲取鎖，獲取不到自動(dòng)到隊(duì)尾等待

是否公平可以通過(guò)構(gòu)造方法指定。

//無(wú)參構(gòu)造函數(shù)，默認(rèn)為非公平鎖
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
//有參構(gòu)造函數(shù)，傳遞boolean類(lèi)型參數(shù)fair
//fair=false：非公平鎖
//fair=true：公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

注：公平鎖為了保證時(shí)間上的絕對(duì)順序，需要頻繁的上下文切換，而非公平鎖會(huì)降低一定的上下文切換，降低性能開(kāi)銷(xiāo)。因此， ReentrantLock 默認(rèn)選擇的是非公平鎖，則是為了減少一部分上下文切換，保證了系統(tǒng)更大的吞吐量。

獲取鎖

在講解 ReentrantLock 的源碼前，需要大家對(duì)AQS的源碼熟悉

公平鎖的獲取

我們知道，lock的獲取鎖一般使用如下方法

lock.lock();

那我們直接沿著該方法往下看，先看lock方法的實(shí)現(xiàn)

public void lock() {
    sync.lock();
}

調(diào)用屬性sync的lock方法，繼續(xù)深入（此時(shí)是公平鎖，所以調(diào)用的是 FairSync 對(duì)象中的 lock 方法）

final void lock() {
    acquire(1);
}

繼續(xù)查看acquire方法

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

看到這里想必大家已經(jīng)很熟悉了，這就是AQS的acquire方法，這里就不再贅述，大家可以參考之前的AQS源碼分析文章。但是我們需要分析一下tryAcquire方法，因?yàn)樵摲椒ㄓ蠷eentrantLock中FairSync類(lèi)自己實(shí)現(xiàn)的，源碼如下

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //獲取當(dāng)前線程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //獲取同步狀態(tài)
    int c = getState();
    //如果同步狀態(tài)為0表示當(dāng)前資源空閑
    if (c == 0) {
        //在CAS獲取鎖前需要調(diào)用方法hasQueuedPredecessors來(lái)判斷隊(duì)列中是否存在其他正在排隊(duì)的節(jié)點(diǎn)，如果存在返回true，不僅如此if塊，否則返回false，進(jìn)行CAS操作
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            //設(shè)置當(dāng)前資源的持有線程為當(dāng)前線程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //如果c不等于0，且當(dāng)前持有鎖線程不等于當(dāng)前線程，直接返回false，加鎖失敗
    //如果c不等于0，且當(dāng)前持有鎖的線程等于當(dāng)前線程，表示這是一次重入，就會(huì)把狀態(tài)+1，結(jié)束后返回true，即重入鎖返回true
    //這塊代碼側(cè)面說(shuō)明Reentrantlock是可以重入的
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

這里需要詳細(xì)說(shuō)明一下 hasQueuedPredecessors 方法（該方法的代碼也是整個(gè) Reentrantlock 代碼中的精華部分之一），需要注意一下，該方法如果返回false表示當(dāng)前線程可以直接獲取鎖，否則獲取鎖失敗。代碼如下

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
	//保存尾結(jié)點(diǎn)
    Node t = tail; 
    //保存頭結(jié)點(diǎn)
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

重點(diǎn)看一下return后面的判斷

h != t &&((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread())

先看條件h != t
- 如果h=t，大概分為以下兩種情況
  - 隊(duì)列未初始化，此時(shí)h=t=null，說(shuō)明肯定沒(méi)有排隊(duì)等待的線程，可以直接獲取鎖，所以返回false
  - 隊(duì)列已經(jīng)初始化，但是不存在排隊(duì)等待的線程。我們知道隊(duì)列在初始化的時(shí)候會(huì)新建個(gè)節(jié)點(diǎn)（thread=null）作為頭結(jié)點(diǎn)，往后需要排隊(duì)的線程鏈接到這之后。因此當(dāng)隊(duì)列只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，滿(mǎn)足h=t，此時(shí)返回false，可以直接獲取鎖
- 如果h!=t，說(shuō)明隊(duì)列節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于1，即肯定存在排隊(duì)等待的線程，此時(shí)h!=t返回true，需要繼續(xù)進(jìn)行下一步判斷
再看條件(s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()
- 先看(s = h.next) == null：通過(guò)上面的分析我們知道隊(duì)列的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于1，所以s（即頭結(jié)點(diǎn)的下一節(jié)點(diǎn)）肯定不為空，返回false；
- 再看s.thread != Thread.currentThread()：能夠執(zhí)行到此處，整個(gè)return后面的判斷語(yǔ)句的結(jié)果直接取決于當(dāng)前判斷。這里判斷s節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線程是否是當(dāng)前線程，如果是說(shuō)明此時(shí)排隊(duì)的線程就是當(dāng)前線程，即可以獲取鎖，返回false。如果不是則表示當(dāng)前還沒(méi)有輪到我（當(dāng)前線程）獲取鎖，返回true。

總結(jié)一下 hasQueuedPredecessors 方法：該方法的作用就是查看是否有排隊(duì)的線程，如果沒(méi)有直接返回false，代表當(dāng)前線程可以獲取鎖，否則再查看第一個(gè)排隊(duì)的線程是否是自己，如果是則返回false，可以獲取鎖，否則就獲取鎖失敗，進(jìn)入后續(xù)的入隊(duì)操作。

非公平鎖的獲取

非公平鎖的獲取，同樣我們來(lái)到 NonfairSync 對(duì)象中的 lock 方法

final void lock() {
    //直接嘗試獲取鎖
    if (compareAndSetState(0, 1))
        //獲取鎖成功后
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

非公平鎖的lock方法一開(kāi)始就嘗試獲取CAS獲取鎖，如果CAS失敗再調(diào)用方法acquire去進(jìn)行相應(yīng)的排隊(duì)操作。

釋放鎖

公平鎖和非公平鎖的釋放流程都是一樣的

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

調(diào)用AQS中的release方法

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

這里我們?cè)敿?xì)講解一下tryRelease方法，代碼如下

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //計(jì)算釋放后state值
    int c = getState() - releases;
    //如果獲取鎖的線程不是當(dāng)前線程，直接拋異常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    //鎖被重入的次數(shù)為0，表示鎖被釋放，清空獨(dú)占線程
    if (c == 0) {
        free = true;
        //清空獨(dú)占線程
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    //設(shè)置state值
    setState(c);
    //返回鎖是否被釋放
    return free;
}

方法詳解見(jiàn)注釋?zhuān)@里需要注意一下，調(diào)用unlock方法前需要保證鎖的占有者必須是當(dāng)前方法的調(diào)用者，否則或拋出IllegalMonitorStateException異常。

到此這篇關(guān)于Java可重入鎖ReentrantLock詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)ReentrantLock詳解內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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