深入理解AQS - ReentrantLock实现

本节我们看下Lock实现类之一ReentrantLock。我们先浏览下Lock类中的声明的接口:

lock方法用来获取锁，如果锁不可用，会阻塞当前线程。lock支持可中断方式lockInterruptibly，在未获取到锁的情况下，可以通过Thread.interrupt来中断锁的获取，同样提供tryLock以及变体，尝试获取锁。

在使用完毕后可以使用unlock释放锁。

如果需要线程等待可以使用newCondition创建一个Condition实例，调用相应的方法。

我们主要看下关于锁相关的实现原理。

当ReentrantLock当调用lock发生了什么？

ReentrantLock是一种可重入互斥锁，与synchronized有相同的作用，同时提供了更多的灵活性。在其内部实现了公平的和非公平两种同步机制，默认为非公平的。我们先看下非公平的实现代码:

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

在非公平模式下获取锁，会先使用CAS方式设置AQS中state = 1。如果修改成功，将当前线程变为独占线程，则获取锁成功。如果当前有其他线程持有锁会，会进入acquire(1)

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

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

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;
}

上面是调用acquire(1)的流程，方法内部首先进行尝试获取锁操作tryAcquire，nonfairTryAcquire方法中首先获取state的值，如果为0表示之前线程已经释放了锁，跟首次获取锁流程一致。

我们假设锁被占用情况下，会继续判断请求锁的线程是当前占有锁的线程，如果是会将status进行+1操作，这个操作出现在，使用同一个锁的两个方法A和B，假设线程1调用A方法获取到锁，A方法内调用了B，这个就标识锁的可重入。

假设当前线程非获取到锁的线程，流程会进入到acquireQueued方法：

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

在队列的尾部添加了一个独占的Node，进行锁的排队，在排队之前如果他的上一个Node是head，再次尝试请求能否获取到独占。如果不能进入下面流程

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

head的waitStatus默认为0，会进入else逻辑，修改head的waitStatus为SIGNAL并返回false，则再次循环后下次进入会返回true，同样会走到parkAndCheckInterrupt方法：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

调用LockSupport.park让线程阻塞。等待unpark调用，后续线程会重复这个过程。

此时我们第一个线程使用完之后，调用unlock，流程进入到

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

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;
}

tryRelease中把status减去原有的值，如果当前线程多次进入lock，则当所有方法调用完成后，如果state变为0，则进入unparkSuccessor操作

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

会调用LockSupport.unpark方法，将之前在acquireQueued阻塞第一个线程唤起，获取锁后执行后续逻辑。

至此一个独占锁的获取释放流程就完成了，这是非公平的锁机制。

如果是公平流程大致相同，不同的是它不像非公平首先先尝试获取锁，而是先看是否有别的线程排队，如果没有则获取锁，如果有线程排队则，请求锁的线程也进入队列等待。

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;
}

两种模式的主要区别还是，在非公平模式下会先尝试获取获取锁，如果未获取到再进入队列。公平锁如果线程获取锁时，如果存在队列则必须进行排队，保证公平性。