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【Java】JDK源码分析-ReentrantLock

JDK源码分析-ReentrantLock

WriteOnRead发布于 今天 03:00

1. 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。

2. 代码分析

2.1 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。

2.2 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。

2.3 公平锁&非公平锁

2.3.1 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。

2.3.2 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());
}

3. 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)。

相关阅读:

JDK源码分析-Lock&Condition

JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)

【Java】JDK源码分析-ReentrantLock

java后端
阅读 33发布于 今天 03:00
本作品系原创,采用《署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际》许可协议
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1. 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。

2. 代码分析

2.1 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。

2.2 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。

2.3 公平锁&非公平锁

2.3.1 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。

2.3.2 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());
}

3. 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)。

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JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)

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