JDK源码分析-ReentrantLock

概述

在 JDK 1.5 以前,锁的实现只能用 synchronized 关键字;1.5 开始提供了 ReentrantLock,它是 API 层面的锁。先看下 ReentrantLock 的类签名以及如何使用:

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {}

典型用法:

public void m() {
  lock.lock();  // block until condition holds
  try {
    // ... method body
  } finally {
    lock.unlock()
  }
}

该用法和使用 synchronized 关键字效果是一样的。既然有了 synchronized,为什么又会有 Lock 呢?相比于 synchronized,其实 ReentrantLock 的出现并不重复,它增加了不少功能,下面先简单介绍几个概念。

公平锁&非公平锁:所谓锁是否公平,简单理解就是一系列线程获取到锁的顺序是否遵循「先来后到」。即,如果先申请锁的线程先获取到锁,就是公平锁;否则就是非公平锁。ReentrantLock 的默认实现和 synchronized 都是非公平锁。

可重入锁:锁是否可重入,就是一个线程是否可以多次获取同一个锁,若是,就是可重入锁。ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁。

代码分析

构造器

ReentrantLock 有两个构造器,分别如下:

private final Sync sync;

// 构造一个 ReentrantLock 实例(非公平锁)
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

// 构造一个 ReentrantLock 实例(指定是否公平)
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

可以看到,两个构造器都是初始化一个 Sync 类型的成员变量。而且,当 boolean 值 fair 为 true 时,初始化的 sync 为 FairSync,为 false 时初始化为 NonFairSync,二者分别表示「公平锁」和「非公平锁」。可以看到无参构造默认是非公平锁。

常用方法

ReentrantLock 常用的方法就是 Lock 接口定义的几个方法,如下:

// 获取锁(阻塞式)
public void lock() {
    sync.lock();
}

// 获取锁(响应中断)
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    sync.acquireInterruptibly(1);
}

// 尝试获取锁
public boolean tryLock() {
    return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

// 尝试获取锁(有超时等待)
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

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

可以看到,这几个方法内部都是通过调用 Sync 类(或其子类)的方法来实现,因此先从 Sync 类入手分析,代码如下(部分省略):

// 抽象类,继承了 AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

    // 获取锁的方法,由子类实现
    abstract void lock();

    // 非公平锁的 tryLock 方法实现
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取 AQS 的 state 变量
        int c = getState();
        // 若为 0,表示当前没有被其他线程占用
        if (c == 0) {
            // CAS 修改 state,若修改成功,表示成功获取资源
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 将当前线程设置为 owner,到这里表示当前线程成功获取资源
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // state 不为 0,且 owner 为当前线程
        // 表示当前线程已经获取到了资源,这里表示“重入”
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 修改 state 值(因为当前线程已经获取资源,不存在竞争,因此无需 CAS 操作)
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 释放锁操作(对 state 做减法)
    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;
            // 成功释放后将 owner 设为空
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        // 修改 state 的值
        // PS: 因为可能存在“重入”,因此一次释放操作后当前线程仍有可能占用资源,
        // 所以不会直接把 state 设为 0
        setState(c);
        return free;
    }
    
    // 其他方法...
    
    final boolean isLocked() {
        return getState() != 0;
    }
}

Sync 类继承自 AQS,其中 nonfairTryAcquire 方法是非公平锁 tryAcquire 方法的实现。

从上面代码可以看出,锁的获取和释放是通过修改 AQS 的 state 变量来实现的。lock 方法可以看做对 state 执行“加法”操作,而 unlock 可以看做对 state 执行“减法”操作,当 state 为 0 时,表示当前没有线程占用资源。

公平锁&非公平锁

(1)非公平锁 NonFairSync:

static final class NonfairSync extends Sync {
    
    final void lock() {
        // CAS 尝试将 state 值修改为 1
        if (compareAndSetState(0, 1))
            // 若修改成功,则将当前线程设为 owner,表示成功获取锁
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        // 若获取失败,则执行 AQS 的 acquire 方法(独占模式获取资源)
        else
            acquire(1);
    }
    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

可以看到,非公平锁的 lock 操作为:先尝试以 CAS 方式修改 state 的值,若修改成功,则表示成功获取到锁,将 owner 设为当前线程;否则就执行 AQS 中的 acquire 方法,具体可参考前文「JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)」,这里不再赘述。

(2)公平锁 FairSync:

static final class FairSync extends Sync {

    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    
    // 公平锁的 tryAcquire 实现
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // state 为 0,表示资源未被占用
        if (c == 0) {
            // 若队列中有其他线程在排队等待,则返回 false,表示获取失败;
            //   否则,再尝试去修改 state 的值
            // PS: 这里是公平锁与非公平锁的区别所在
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 若当前线程已占用了锁,则“重入”
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

可以看到,与非公平锁相比,公平锁的不同之处在于增加了判断条件 hasQueuedPredecessors,即首先判断主队列中是否有其他线程在等待,当没有其他线程在排队时再去获取,否则获取失败。

hasQueuedPredecessors 在 AQS 中实现如下:

/**
 * Queries whether any threads have been waiting to acquire longer
 * than the current thread.
 */
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());
}

小结

synchronized 与 ReentrantLock 比较:

相同点:二者都是互斥锁,可重入,默认都是非公平锁。

不同点:synchronized 是语法层面实现,自动获取锁和释放锁;ReentrantLock 是 API 层面实现,手动获取锁和释放锁。

ReentrantLock 相比 synchronized 的优势:

1. 可响应中断;

2. 获取锁可设置超时;

3. 可实现公平锁;

4. 可绑定多个条件(Condition)。

JDK 1.6 以后,synchronized 与 ReentrantLock 性能基本持平,JVM 未来的性能优化也会更偏向于原生的 synchronized。因此,如何选择还要根据实际需求,性能不再是不选择 synchronized 的原因了。

相关阅读:

JDK源码分析-Lock&Condition

JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)

Stay hungry, stay foolish.

原文发布于微信公众号 - WriteOnRead(WriteOnRead)

原文发表时间:2019-06-21

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