【Java并发】ReentrantLock

前篇写了JUC的基础AQS，其中介绍了它提供的很多模板方法，但是在实际编程中我们不会直接使用它，而是会使用它的各种实现。本文将介绍在实际使用中出现频率很高的一种并发锁——ReentrantLock。

从名字上来看，ReentrantLock具有两个特性，一个是可重入，一个是锁。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        ...
    }

    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

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

    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

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

        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        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;
        }
    }

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

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

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

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

ReentrantLock内容定义了一个抽象类Sync，继承自AQS，而不是自己去继承AQS，所有对ReentrantLock的操作都会转化为对Sync的操作。同时又定义了Sync的两个子类FairSync和NonfairSync，分别用于实现公平锁和非公平锁。除非你在生成ReentrantLock时显示的指明需要公平锁，否则默认采用非公平锁。

可重入

先来看下可重入如何实现，以默认的非公平锁举例。可重入，意味着线程在获取锁之后，还可以再次获取锁，同样，获取了多少次，就要释放多少次，否则资源释放不对，别的线程将永远无法获得锁。

final void lock() {
    //1、CAS将state置为1
    if (compareAndSetState(0, 1))
        //2、设置自己为独占线程
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        //3、否则尝试获取资源
        acquire(1);
}

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

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //1、如果state为0，说明当前锁没有被占用
            if (c == 0) {
                //2、CAS尝试将state设为1
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //3、获取锁成功，设置自己为独占线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //4、如果持有当前锁的线程就是自己
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //5、那么将state增加acquires
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                //6、更新state，因为锁已经被自己持有了，所以这里不需要CAS设置
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
}


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

获取锁的过程中，4、5、6三步即实现了可重入获取。再看下释放。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
            //1、每次释放，将state减去释放数
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //2、如果state为0，说明所有资源都已经释放
            if (c == 0) {
                free = true;
                //3、将独占线程置空
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //4、更新state
            setState(c);
            return free;
        }

同样，释放时需要将获取的资源依次扣除，什么时候state减为0了，才算该线程持有的所有资源都释放掉了。

公平锁实现可重入同理，不再赘述。

公平与非公平

那么公平锁与非公平锁又有什么区别呢？

非公平锁的获取上面已经分析了，来看下公平锁的获取，看下有什么不同。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                //1、等待队列中是否已经有节点在等待获取锁了
                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;
        }

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        //2、等待队列以后已经初始化，并且有别的线程正在入队(enq)或者已经入队
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

公平和非公平的区别就在于，尝试获取锁前要看下是否有线程已经在自己之前就开始等待了，如果没有才去竞争。通过这种方式保证公平，即先等先得。

公平锁和非公平锁哪种性能更好呢，公平锁虽然能保证等待最久的线程可以先获得锁，但是这同时也以为着每次都会是不同的线程获取锁，每次都要进行线程切换。《Java并发编程的艺术》进行了测试，表明非公平锁虽然可能造成某些线程一直获取不到锁，但是可以提高整体的吞吐量，所以ReentrantLock将其作为了默认实现。如果是需要保证这种先等先得的特性，也可以使用公平锁。

与synchronized对比

ReentrantLock在加锁和内存语义上提供了与synchronized相同的功能，此外还提供了定时、可中断、公平性等特性。JDK5时，ReentrantLock的性能要远优于synchronized，但是JDK6引入了synchronized的锁优化，两者之间的差别并没有那么大了。

《Java并发编程实战》作者建议，除非需要一些高级功能，如可定时、可轮询、可中断、公平性等，才使用ReentrantLock，否则应该优先使用synchronized，毕竟大部分人都用习惯了，而且使用简单。