分析ReentrantLock的實現原理

Java併發編程源碼分析系列：

前幾篇文章分析了線程池的原理，接下來研究鎖的方面。顯式鎖ReentrantLock和同步工具類的實現基礎都是AQS，所以合起來一齊研究。

什麼是AQS

AQS即是AbstractQueuedSynchronizer，一個用來構建鎖和同步工具的框架，包括常用的ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等。

AQS沒有鎖之類的概念，它有個state變量，是個int類型，在不同場合有着不同含義。本文研究的是鎖，爲了好理解，姑且先把state當成鎖。

AQS圍繞state提供兩種基本操作“獲取”和“釋放”，有條雙向隊列存放阻塞的等待線程，並提供一系列判斷和處理方法，簡單說幾點：

state是獨佔的，還是共享的；
state被獲取後，其他線程需要等待；
state被釋放後，喚醒等待線程；
線程等不及時，如何退出等待。

至於線程是否可以獲得state，如何釋放state，就不是AQS關心的了，要由子類具體實現。

直接分析AQS的代碼會比較難明白，所以結合子類ReentrantLock來分析。AQS的功能可以分爲獨佔和共享，ReentrantLock實現了獨佔功能，是本文分析的目標。

ReentrantLock對比synchronized

Lock lock = new ReentranLock();
lock.lock();
try{
    //do something
}finally{
    lock.unlock();
}

ReentrantLock實現了Lock接口，加鎖和解鎖都需要顯式寫出，注意一定要在適當時候unlock。

和synchronized相比，ReentrantLock用起來會複雜一些。在基本的加鎖和解鎖上，兩者是一樣的，所以無特殊情況下，推薦使用synchronized。ReentrantLock的優勢在於它更靈活、更強大，增加了輪訓、超時、中斷等高級功能。

公平鎖和非公平鎖

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock的內部類Sync繼承了AQS，分爲公平鎖FairSync和非公平鎖NonfairSync。

公平鎖：線程獲取鎖的順序和調用lock的順序一樣，FIFO；
非公平鎖：線程獲取鎖的順序和調用lock的順序無關，全憑運氣。

ReentrantLock默認使用非公平鎖是基於性能考慮，公平鎖爲了保證線程規規矩矩地排隊，需要增加阻塞和喚醒的時間開銷。如果直接插隊獲取非公平鎖，跳過了對隊列的處理，速度會更快。

嘗試獲取鎖

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

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

先來看公平鎖的實現，lock方法很簡單的一句話調用AQS的acquire方法：

protected boolean tryAcquire(int arg) {    
        throw new UnsupportedOperationException();
}

噢，AQS的tryAcquire不能直接調用，因爲是否獲取鎖成功是由子類決定的，直接看ReentrantLock的tryAcquire的實現。

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;
}

獲取鎖成功分爲兩種情況，第一個if判斷AQS的state是否等於0，表示鎖沒有人佔有。接着，hasQueuedPredecessors判斷隊列是否有排在前面的線程在等待鎖，沒有的話調用compareAndSetState使用cas的方式修改state，傳入的acquires寫死是1。最後線程獲取鎖成功，setExclusiveOwnerThread將線程記錄爲獨佔鎖的線程。

第二個if判斷當前線程是否爲獨佔鎖的線程，因爲ReentrantLock是可重入的，線程可以不停地lock來增加state的值，對應地需要unlock來解鎖，直到state爲零。

如果最後獲取鎖失敗，下一步需要將線程加入到等待隊列。

線程進入等待隊列

AQS內部有一條雙向的隊列存放等待線程，節點是Node對象。每個Node維護了線程、前後Node的指針和等待狀態等參數。

線程在加入隊列之前，需要包裝進Node，調用方法是addWaiter：

private Node addWaiter(Node mode) {
   Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
   // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
   Node pred = tail;
   if (pred != null) {
       node.prev = pred;
       if (compareAndSetTail(pred, node)) {
           pred.next = node;
           return node;
       }
   }
   enq(node);
   return node;
}

每個Node需要標記是獨佔的還是共享的，由傳入的mode決定，ReentrantLock自然是使用獨佔模式Node.EXCLUSIVE。

創建好Node後，如果隊列不爲空，使用cas的方式將Node加入到隊列尾。注意，這裏只執行了一次修改操作，並且可能因爲併發的原因失敗。因此修改失敗的情況和隊列爲空的情況，需要進入enq。

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

enq是個死循環，保證Node一定能插入隊列。注意到，當隊列爲空時，會先爲頭節點創建一個空的Node，因爲頭節點代表獲取了鎖的線程，現在還沒有，所以先空着。

阻塞等待線程

線程加入隊列後，下一步是調用acquireQueued阻塞線程。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //1
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //2
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

標記1是線程喚醒後嘗試獲取鎖的過程。如果前一個節點正好是head，表示自己排在第一位，可以馬上調用tryAcquire嘗試。如果獲取成功就簡單了，直接修改自己爲head。這步是實現公平鎖的核心，保證釋放鎖時，由下個排隊線程獲取鎖。（看到線程解鎖時，再看回這裏啦）

標記2是線程獲取鎖失敗的處理。這個時候，線程可能等着下一次獲取，也可能不想要了，Node變量waitState描述了線程的等待狀態，一共四種情況：

static final int CANCELLED =  1;   //取消
static final int SIGNAL    = -1;     //下個節點需要被喚醒
static final int CONDITION = -2;  //線程在等待條件觸發
static final int PROPAGATE = -3; //（共享鎖）狀態需要向後傳播

shouldParkAfterFailedAcquire傳入當前節點和前節點，根據前節點的狀態，判斷線程是否需要阻塞。

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;
}

前節點狀態是SIGNAL時，當前線程需要阻塞；
前節點狀態是CANCELLED時，通過循環將當前節點之前所有取消狀態的節點移出隊列；
前節點狀態是其他狀態時，需要設置前節點爲SIGNAL。

如果線程需要阻塞，由parkAndCheckInterrupt方法進行操作。

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

parkAndCheckInterrupt使用了LockSupport，和cas一樣，最終使用UNSAFE調用Native方法實現線程阻塞（以後有機會就分析下LockSupport的原理，park和unpark方法作用類似於wait和notify）。最後返回線程喚醒後的中斷狀態，關於中斷，後文會分析。

到這裏總結一下獲取鎖的過程：線程去競爭一個鎖，可能成功也可能失敗。成功就直接持有資源，不需要進入隊列；失敗的話進入隊列阻塞，等待喚醒後再嘗試競爭鎖。

釋放鎖

通過上面詳細的獲取鎖過程分析，釋放鎖過程大概可以猜到：頭節點是獲取鎖的線程，先移出隊列，再通知後面的節點獲取鎖。

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

ReentrantLock的unlock方法很簡單地調用了AQS的release：

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

和lock的tryAcquire一樣，unlock的tryRelease同樣由ReentrantLock實現：

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;
}

因爲鎖是可以重入的，所以每次lock會讓state加1，對應地每次unlock要讓state減1，直到爲0時將獨佔線程變量設置爲空，返回標記是否徹底釋放鎖。

最後，調用unparkSuccessor將頭節點的下個節點喚醒：

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);
}

尋找下個待喚醒的線程是從隊列尾向前查詢的，找到線程後調用LockSupport的unpark方法喚醒線程。被喚醒的線程重新執行acquireQueued裏的循環，就是上文關於acquireQueued標記1部分，線程重新嘗試獲取鎖。

中斷鎖

static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

在acquire裏還有最後一句代碼調用了selfInterrupt，功能很簡單，對當前線程產生一箇中斷請求。

爲什麼要這樣操作呢？因爲LockSupport.park阻塞線程後，有兩種可能被喚醒。

第一種情況，前節點是頭節點，釋放鎖後，會調用LockSupport.unpark喚醒當前線程。整個過程沒有涉及到中斷，最終acquireQueued返回false時，不需要調用selfInterrupt。

第二種情況，LockSupport.park支持響應中斷請求，能夠被其他線程通過interrupt()喚醒。但這種喚醒並沒有用，因爲線程前面可能還有等待線程，在acquireQueued的循環裏，線程會再次被阻塞。parkAndCheckInterrupt返回的是Thread.interrupted()，不僅返回中斷狀態，還會清除中斷狀態，保證阻塞線程忽略中斷。最終acquireQueued返回true時，真正的中斷狀態已經被清除，需要調用selfInterrupt維持中斷狀態。

因此普通的lock方法並不能被其他線程中斷，ReentrantLock是可以支持中斷，需要使用lockInterruptibly。

兩者的邏輯基本一樣，不同之處是parkAndCheckInterrupt返回true時，lockInterruptibly直接throw new InterruptedException()。

非公平鎖

分析完公平鎖的實現，還剩下非公平鎖，主要區別是獲取鎖的過程不同。

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

在NonfairSync的lock方法裏，第一步直接嘗試將state修改爲1，很明顯，這是搶先獲取鎖的過程。如果修改state失敗，則和公平鎖一樣，調用acquire。

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;
}

nonfairTryAcquire和tryAcquire乍一看幾乎一樣，差異只是缺少調用hasQueuedPredecessors。這點體驗出公平鎖和非公平鎖的不同，公平鎖會關注隊列裏排隊的情況，老老實實按照FIFO的次序；非公平鎖只要有機會就搶佔，纔不管排隊的事。

總結

從ReentrantLock的實現完整分析了AQS的獨佔功能，總的來講並不複雜。別忘了AQS還有共享功能，下一篇是–分析CountDownLatch的實現原理。

分析ReentrantLock的實現原理

什麼是AQS

ReentrantLock對比synchronized

公平鎖和非公平鎖

嘗試獲取鎖

線程進入等待隊列

阻塞等待線程

釋放鎖

中斷鎖

非公平鎖

總結

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