详解ReentrantLock---可重入锁(小白易懂)

2023-11-15

详解ReentrantLock(小白易懂)

初识ReentrantLock

ReentrantLock是可重入的互斥锁,虽然具有与synchronized相同功能,但是会比synchronized更加灵活(具有更多的方法)。

ReentrantLock底层基于AbstractQueuedSynchronizer实现

AbstractQueuedSynchronizer抽象类定义了一套多线程访问共享资源的同步模板,解决了实现同步器时涉及的大量细节问题,能够极大地减少实现工作,
用大白话来说,AbstractQueuedSynchronizer为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数,只有少量细节由子类自己决定。

ReentrantLock结构组成

学任何知识的第一件事,就是看清它的全貌,梳理出整体结构与主流程,之后逐个击破,所以带读者们先看下ReentrantLock整体结构组成,
对它的实现有个大致的了解。

在这里插入图片描述

上图可以看出来,ReentrantLock整体结构还是非常简单,给读者们分析一波,为什么ReentrantLock结构是这样设计的,
首先ReentrantLock实现了Lock接口,Lock接口是Java中对锁操作行为的统一规范,遵守规则规范是守法公民的基本素养,合情合理,Lock接口的定义如下:
public interface Lock {
    /**
     * 获取锁
     */
    void lock( );
    /**
     * 获取锁-响应中断
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    /**
     * 返回获取锁是否成功状态
     */
    boolean tryLock():
    /**
     * 返回获取锁是否成功状态-响应中断
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    /**
     * 释放锁
     */
    void unlock();
    /**
     * 创建条件变量
     */
    Condition newCondition():
}
Lock接口定义的函数不多,接下来ReentrantLock要去实现这些函数,遵循着解耦可扩展设计,ReentrantLock内部定义了专门的组件Sync, 
Sync继承AbstractQueuedSynchronizer提供释放资源的实现,NonfairSync和FairSync是基于Sync扩展的子类,
即ReentrantLock的非公平模式与公平模式,它们作为Lock接口功能的基本实现。

在这里插入图片描述

大白话来说,企业的老板,为了响应政府的政策,需要对企业内部做调整,但是政府每年政策都不一样,每次都要自己去亲力亲为,索性长痛不如短痛,
专门成立一个政策应对部门,以后这些事情都交予这个部门去做,老板只需要指挥它们就好了。

在这里插入图片描述

清楚了ReentrantLock结构组成之后,下面我只需对Sync、NonfairSync、FairSync逐个击破,ReentrantLock自然水到渠成。
小贴士:在ReentrantLock中,它对AbstractQueuedSynchronizer的state状态值定义为线程获取该锁的重入次数,
state状态值为0表示当前没有被任何线程持有,state状态值为1表示被其他线程持有,因为支持可重入,如果是持有锁的线程,再次获取同一把锁,
直接成功,并且state状态值+1,线程释放锁state状态值-1,同理重入多次锁的线程,需要释放相应的次数。
Sync
Sync可以说是ReentrantLock的亲儿子,它寄托了全村的希望,完美的继承了AbstractQueuedSynchronizer,是ReentrantLock的核心,
后面的NonfairSync与FairSync都是基于Sync扩展出来的子类。以下是Sync类定义的核心部分:
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialversionUID = -5179523762034025860L;
    //获取锁-子类实现
    abstract void lock();
    //非公平-获取资源
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        //获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取当前状态
        int c = getState();
        if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取
            //cas设置state为acquires,acquires传入的是1
            if (compareAndSetstate(0, acquires)) {
                //cas成功,设置当前持有锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                //返回成功
                return true;
            }
    	}
        else if (current== getExclusiveOwnerThread()){
            //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程,直接重入
            //state状态+1
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)// overflow
            	throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            //设置state状态,此处不需要cas,因为持有锁的线程只有一个
            setState(nextc);
            //返回成功
            return true;
        }
        //返回失败
        return false;
    }
            /**
             * 释放资源
             */
     protected final boolean tryRelease(int releases) {
         //state状s-releases,releases传入的是1
         int c = getState() - releases;
         if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) 
             //如果当前线程不是持有锁线程,抛出异常
             throw new IllegalMonitorstateException();
         //设置返回状态,默认为失败
         boolean free = false;
         if (c == 0) {
             //state-1后,如果c==0代表释放资源成功
             //返回状态设置为true
            free = true;
             //清空持有锁线程
            setExclusiveOwnerThread(null);
            //如果state-1后,state还是>0,代表当前线程有锁重入操作,需更做相应的释放次数,设置state值
             setState(c):
             return free;
          }
     }
我发现Sync有点偏心,首先Sync实现释放资源的细节(AQS留给子类实现的tryRelease),然后声明了获取锁的抽象函数(lock),子类根据业务实现,
目前看来还是很公平,但是Sync还定义了一个nonfairTryAcquire函数,这个函数是专门给NonfairSync使用的,FairSync却没有这种待遇,所以说Sync偏心。

Sync逻辑都比较简单,实现了AQS类的释放资源(tryRelease),然后抽象了一个获取锁的函数让子类自行实现(lock),
再加一个偏心的函数nonfairTryAcquire,但是再怎么简单,图还是要有的,这是我读者们的福利。

下面放一张tryRelease流程图,在后续的NonfairSync、FairSync都会有全面的流程。

在这里插入图片描述

NonfairSync
现在我们把视线转移到NonfairSync,在ReentrantLock中支持两种获取锁的策略,分别是非公平策略与公平策略,NonfairSync就是非公平策略。

此时会有疑问,什么是非公平策略?

在说非公平策略前,先简单的说下AQS(AbstractQueuedSynchronizer)流程,AQS为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数,加锁与解锁的模板流程是,
获取锁失败的线程,会进入CLH队列阻塞,其他线程解锁会唤醒CLH队列线程,如下图所示(简化流程)

在这里插入图片描述

上图中,线程释放锁时,会唤醒CLH队列阻塞的线程,重新竞争锁,要注意,此时可能还有非CLH队列的线程参与竞争,所以非公平就体现在这里,非CLH队列线程与CLH队列线程竞争,各凭本事,不会因为你是CLH队列的线程,排了很久的队,就把锁让给你。

了解了什么是非公平策略,我们再来看看NonfairSync类定义

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
    //获取锁
    final void lock() {
        if (compareAndSetstate(01))//cas设置state为1成功,代表获取资源成功
            //资源获取成功,设置当前线程为持有锁线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    	else
    		//cas设置state为1失败,代表获取资源失败,执行AQS获取锁模板流程,否获取资源成功
            acquire(1);
    }
    
    //获取资源-使用的是Sync提供的nonfairTryAcquire函数
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}
	
    //AQS获取锁模板函数,这是AQS类中的函数
    public final void acquire(int arg) {
        //我们只需要关注tryAcquire函数,后面的函数是AQS获取资源失败,线程节点进入CLH队列的细节流程,本文不关注
        if(!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addwaiter(Node.EXCLUSIVE),arg))
            selfInterrupt();
    }

NonfairSync继承Sync实现了lock函数,lock函数也非常简单,CAS设置状态值state为1代表获取锁成功,否则执行AQSacquire函数(获取锁模板),另外NonfairSync还实现了AQS留给子类实现的tryAcquire函数(获取资源),这个被Sync宠幸的幸运儿,直接使用Sync提供的nonfairTryAcquire函数来实现tryAcquire,最后子类实现的tryAcquire函数在AQS的acquire函数中被使用。

在这里插入图片描述

首先AQSacquire函数是获取锁的流程模板,模板流程会先执行tryAcquire函数获取资源,tryAcquire函数要子类实现,NonfairSync作为子类,实现了tryAcquire函数,具体实现是调用了SyncnonfairTryAcquire函数。

接下来,我们再看看Sync专门给NonfairSync准备的nonfairTryAcquire函数逻辑

/**
 * 非公平-获取资源
 */
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    //获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //获取当前状态
    int c = getState();
    if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取
        //cas设置state为acquires,acquires传入的是1
        if (compareAndSetstate(0, acquires)) {
            //cas成功,设置当前持有锁的线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            //返回成功
            return true;
        }
    }
    //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程,直接重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //state状态+1
    	int nextc = c + acquires;
    	if (nextc < 0) // overflow
    		throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //设置state状态,此处不需要cas,因为持有锁的线程只有一个
        setstate(nextc);
        //返回成功
        return true;
    }
    //返回失败
    return false;
}
对上述代码逻辑做个简单的概括,当前线程查看资源是否可获取:

可获取,尝试使用CAS设置state为1,CAS成功代表获取资源成功,否则获取资源失败

不可获取,判断当线程是不是持有锁的线程,如果是,state重入计数,获取资源成功,否则获取资源失败

以下是nonfairTryAcquire流程图

在这里插入图片描述

FairSync

有非公平策略,就有公平策略,FairSync就是ReentrantLock的公平策略。

所谓公平策略就是,严格按照CLH队列顺序获取锁,线程释放锁时,会唤醒CLH队列阻塞的线程,重新竞争锁,要注意,此时可能还有非CLH队列的线程参与竞争,为了保证公平,一定会让CLH队列线程竞争成功,如果非CLH队列线程一直占用时间片,那就一直失败(构建成节点插入到CLH队尾,由AQS模板流程执行),直到时间片轮到CLH队列线程为止,所以公平策略的性能会更差。

在这里插入图片描述

了解了什么是公平策略,我们再来看看FairSync类定义

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    //获取锁
    final void lock() {
        //cas设置state为1失败,代表获取资源失败,执行AQs获取锁模板流程,否获取资源成功
        acquire(1);
    }
	//获取资源
	protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        //获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取state状态
        int c = getstate();
        if (c == 0){  // state==0 代表资源可获取
            //1.hasqueuedPredecessors判断当前线程是不是CLH队列被唤醒的线程,如果是执行下一个步歌
            //2.cas设置state为acquires,acquires传入的是1
            if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetstate(o, acquires)) {
                //cas成功,设置当前持有锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                //返回成功
                return true;
            }
        }
        else if (current== getExclusiveOwnerThread()){
            //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程,直接重入
            //state状态+1
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)// overflow
            	throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            //设置state状态,此处不需要cas,因为持有锁的线程只有一个
            setState(nextc);
            //返回成功
            return true;
        }
        //返回失败
        return false;
    }
}
	//AQS获取锁模板函数,这是AQS类中的函数
    public final void acquire(int arg) {
        //我们只需要关注tryAcquire函数,后面的函数是AQS获取资源失败,线程节点进入CLH队列的细节流程,本文不关注
        if(!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addwaiter(Node.EXCLUSIVE),arg))
            selfInterrupt();
    }

其实我们不难发现FairSync流程与NonfairSync基本一致,唯一的区别就是在CAS执行前,多了一步hasQueuedPredecessors函数,这一步就是判断当前线程是不是CLH队列被唤醒的线程,如果是就执行CAS,否则获取资源失败,下面是流程图

在这里插入图片描述

Lock的实现

最后看看ReentrantLock中是如何实现Lock的,先看构造器部分

//同步器
private final Sync sync;

//默认使用非公平策略
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

//true-公平策略 false非公平策略
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock默认是使用非公平策略,如果想指定模式,可以通过入参fair来选择,这里就不做过多概述,接下来看看ReentrantLockLock的实现

public class ReentrantLock implements Lock, java,io,Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    //同步器
    private final Sync sync;
    
    //默认使用非公平策略
    public ReentrantLock() {
        sync = new Nonfairsync():
    }
    
    //true-公平策略 false非公平策路
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        //获取锁-阻塞
        public void lock() {
            //基于sync实现
            sync.lock();
        }
        //获取锁-阻塞,支持响应线程中断
        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        //甚于sync实现
        sync.acquireInterruptibly(1);
        }
        //获取资源,返回是否成功状态-非阻塞
		public boolean tryLock() {
            //基于sync实现
            return sync.nonfairTryAcquire(1);
        }
        
        //获取锁-阻塞,支持超时
        public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {
            //基于sync实现
            return sync.tryAcquireNanos(1. unit.toNanos(timeout));
        }
        //释放锁
        public void unlock() {
            //基于sync实现
            sync.release(1);
        }
        //创建条件变量
        public Condition newCondition() {
            //基于sync实现
            return sync.newCondition();
        }
    }

ReentrantLockLock的实现都是基于Sync来做的。Sync承包了所有事情,为何它如此厉害,因为Sync上有AbstractQueuedSynchronizer老大哥罩着,下有NonfairSyncFairSync两小弟可差遣,所以成为ReentrantLock的利器也合情合理。

感谢各位大哥的阅读

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