Java中的ReentrantLock鎖

ReentrantLock鎖

ReentrantLock是Java中常用的鎖，屬於樂觀鎖類型，多線程併發情況下。能保證共享數據安全性，線程間有序性
ReentrantLock通過原子操作和阻塞實現鎖原理，一般使用lock獲取鎖，unlock釋放鎖，
下面說一下鎖的基本使用和底層基本實現原理，lock和unlock底層

lock的時候可能被其他線程獲得所，那麼此線程會阻塞自己，關鍵原理底層用到Unsafe類的API: CAS和park

使用方式

lock unlock對應

lock

拿到鎖，開始執行代碼邏輯

unlock

執行完代碼後，釋放鎖，讓其他線程去獲取，需要注意的是，多個線程使用的鎖對象必須是同一個

//創建鎖對象
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock(); //獲取鎖（鎖定）
// 中間執行代碼，保證同一時間只有一個線程能運行此處的代碼
lock.unlock(); //鎖釋放

示例

爲了體現鎖的作用，這裏sleep睡眠0.1秒，增加哪個線程獲取鎖的隨機性
因爲線程喚醒後，會開始嘗試獲取鎖，多個線程下競爭一把鎖是隨機的

package javabasis.threads;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest implements Runnable {
    
	public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//鎖
	private int thold;
    
	public LockTest(int h) {
		this.thold = h;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 10; i < 15; i++) {
			new Thread(new LockTest(i),"name-" + i).start();
		}
	}

	@Override
	public void run() {
		try {
			Thread.sleep(100);
			lock.lock(); //獲取鎖
			System.out.println("lock threadName:" + Thread.currentThread().getName());
			{
				System.out.print(" writeStart ");
				for (int i = 0; i < 15; i++) {
						Thread.sleep(100);
					System.out.print(thold+",");
				}
				System.out.println(" writeEnd");
			}
			System.out.println("unlock threadName:" + Thread.currentThread().getName() + "\r\n");
			lock.unlock(); //鎖釋放 
		} catch (InterruptedException e) {	
		}		
	}	
}

運行main方法輸出結果：

lock threadName:name-10
 writeStart 10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10, writeEnd
unlock threadName:name-10

lock threadName:name-14
 writeStart 14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14, writeEnd
unlock threadName:name-14

lock threadName:name-13
 writeStart 13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13, writeEnd
unlock threadName:name-13

lock threadName:name-11
 writeStart 11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11, writeEnd
unlock threadName:name-11

lock threadName:name-12
 writeStart 12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12, writeEnd
unlock threadName:name-12

這體現在多線程情況下，鎖能做到讓線程之間有序運行，

如果沒有鎖，情況可能是 12,13,13,10,10,10,12，沒有鎖其他線程可能插隊執行System.out.print

原理

ReentrantLock主要用到unsafe的CAS和park兩個功能實現鎖（CAS + park ）

多個線程同時操作一個數N，使用原子（CAS）操作，原子操作能保證同一時間只能被一個線程修改，而修改數N成功後，返回true，其他線程修改失敗，返回false，
這個原子操作可以定義線程是否拿到鎖，返回true代表獲取鎖，返回false代表爲沒有拿到鎖。

拿到鎖的線程，自然是繼續執行後續邏輯代碼，而沒有拿到鎖的線程，則調用park，將線程（自己）阻塞。

線程阻塞需要其他線程喚醒，ReentrantLock中用到了鏈表用於存放等待或者阻塞的線程，每次線程阻塞，先將自己的線程信息放入鏈表尾部，再阻塞自己；之後需要拿到鎖的線程，在調用unlock 釋放鎖時，從鏈表中獲取阻塞線程，調用unpark 喚醒指定線程

Unsafe

sun.misc.Unsafe是關鍵類，提供大量偏底層的API 包括CAS park
sun.misc.Unsafe 此類在openjdk中可以查看

CAS 原子操作

compare and swapz(CAS)比較並交換，是原子性操作，
原理：當修改一個(內存中的)變量o的值N的時候，首先有個期望值expected，和一個更新值x，先比較N是否等於expected，等於，那麼更新內存中的值爲x值，否則不更新。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

這裏offset據瞭解，是對象的成員變量在內存中的偏移地址，
即底層一個對象object存放在內存中，讀取的地址是0x2110，此對象的一個成員變量state的值也在內存中，但內存地址肯定不是0x2110

java中的CAS使用

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 類

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

在Java中，這個操作如果更新成功，返回true,失敗返回false，通過這個機制，可以定義鎖（樂觀鎖）。
如三個線程A，B，C，在目標值爲0的情況下，同時執行compareAndSetState(0,1) 去修改它
期望值是0，更新值是1，因爲是原子操作，在第一個線程操作成功之後目標值變爲1，返回true
所以另外兩個線程就因爲期望值爲0不等於1，返回false。
我們可以理解爲，返回true的線程拿到了鎖。

最終調用的Java類是sun.misc.Unsafe

park 阻塞

Java中可以通過unsafe.park()去阻塞（停止）一個線程，也可以通過unsafe.unpark()讓一個阻塞線程恢復繼續執行

unsafe.park()

阻塞(停止)當前線程

public native void park(boolean isAbsolute, long time); 

根據debug測試，此方法能停止線程自己，最後通過其他線程喚醒

unsafe.unpark()

取消阻塞(喚醒)線程

public native void unpark(Object thread);

根據debug測試，此方法可以喚醒其他被park調用阻塞的線程

park與interrupt的區別

interrupt是Thread類的的API，park是Unsafe類的API，兩者是有區別的。
測試瞭解，Thread.currentThread().interrupt(),線程會繼續運行，而Unsafe.park(Thread.currentThread())就是直接阻塞線程，不繼續運行代碼。

獲取鎖

線程cas操作失敗，可以park阻塞自己，讓其他擁有鎖的線程在unlock的時候釋放自己，達到鎖的效果

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock的lock方法是

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

而sync的實現類其中一個是java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync 不公平鎖，它的邏輯比較直接

/**
NonfairSync
*/
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))//cas操作，如果true 則表示操作成功，獲取鎖
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); //設置獲取鎖擁有者爲當前線程
    else
        acquire(1);//獲取鎖失敗，鎖住線程(自己)
}

獲取失敗後阻塞線程

如果獲取鎖失敗，會再嘗試一次，失敗後，將線程（自己）阻塞

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) { 
			//如果期望值爲0，內存值也爲0，再次嘗試獲取鎖（此時其他線程也可能嘗試獲取鎖）
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current); //第二次獲取成功，放回true
                    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; //沒有獲取到鎖，返回false，則 !tryAcquire(arg) 爲true，執行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        }

獲取鎖失敗，線程會進入循環，acquireQueued 方法中for是個無限循環，除非獲取鎖成功後，纔會return。

//獲取鎖失敗後，準備阻塞線程（自己）
//阻塞之前，添加節點存放到鏈表，其他線程可以通過這個鏈表喚醒此線程
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)) {//cas操作
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

// 在此方法直到獲取鎖成功纔會跳出循環
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; //獲取鎖成功之後纔會return跳出此方法
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //如果滿足阻塞條件
                    parkAndCheckInterrupt()) 
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);//停止線程（自己）
        return Thread.interrupted();
    }

釋放鎖

一個線程拿到鎖之後，執行完關鍵代碼，必須unlock釋放鎖的，否則其他線程永遠拿不到鎖

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

public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
//java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync 的tryRelease
 protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases; //這裏一般是 1 - 1 = 0
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //只能是鎖的擁有者釋放鎖
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c); //設置state爲0，相當於釋放鎖，讓其他線程compareAndSetState(0, 1)可能成功
			
            return free;
        }

protected final void setState(int newState) {
        state = newState; //沒有cas操作
    }

setState不做cas操作是因爲，只有擁有鎖的線程才調用unlock，不存才併發混亂問題

其他線程沒拿到鎖不會設值成功，其他線程在此線程設置state爲0之前，compareAndSetState(0, 1)都會失敗，拿不到鎖，此線程設置state爲0之後，其他線程compareAndSetState(0, 1)纔有可能成功，返回true從而拿到鎖

釋放線程

線程在獲取鎖失敗後，有可能阻塞線程（自己），在阻塞之前把阻塞線程信息放入鏈表的
釋放鎖之後，線程會嘗試通過鏈表釋放其他線程（一個），讓一個阻塞線程恢復運行

private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        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; //循環，找到鏈表最前面需要被喚醒的線程
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread); //喚醒（釋放）被阻塞的線程
    }

阻塞線程被取消阻塞後如何拿到鎖(ReentrantLock中)

有時候線程被中斷後，喚醒繼續執行後面的代碼，
線程沒有拿到鎖之後主動阻塞自己的，但所還沒拿到，被喚醒之後怎麼去嘗試重新獲取鎖呢？ 裏面有一個for循環

final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1)) 
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//拿到鎖
            else
                acquire(1); //沒有拿到鎖
        }
// 上鎖失敗，會添加一個節點，節點包含線程信息，將此節點放入隊列
public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

// 存好節點後，將線程（自己）中斷，等其他線程喚醒（自己）
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {//循環 被喚醒後線程還是在此處循環
                
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {//嘗試獲取鎖
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted; //如果拿到鎖了，纔會return
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt()) //沒拿到鎖時，主動中斷Thread.currentThread()
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

被喚醒後繼續執行compareAndSetState(0, 1)返回false沒拿到鎖，則繼續循環或阻塞

compareAndSetState(0, 1) 這個操作是獲取鎖的關鍵