Java併發程式設計之鎖機制之（ReentrantLock)重入鎖
最近在忙公司的專案，現在終於有時間來寫部落格啦~開心開心
前言
通過前面的文章，我們已經瞭解了AQS(AbstractQueuedSynchronizer)內部的實現與基本原理。現在我們來了解一下，Java中為我們提供的Lock機制下的鎖實現--ReentrantLock（重入鎖），閱讀該篇文章之前，希望你已閱讀以下文章。
- Java併發程式設計之鎖機制之Lock介面
- Java併發程式設計之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)
- Java併發程式設計之鎖機制之LockSupport工具
- Java併發程式設計之鎖機制之Condition介面
ReentrantLock基本介紹
ReentrantLock是一種可重入的互斥鎖，它具有與使用synchronized方法和語句所訪問的隱式監視器鎖相同的一些基本行為和語義，但功能更強大。
ReentrantLock 將由最近成功獲得鎖，並且還沒有釋放該鎖的執行緒所擁有。當鎖沒有被另一個執行緒所擁有時，呼叫 lock 的執行緒將成功獲取該鎖並返回。如果當前執行緒已經擁有該鎖，此方法將立即返回。可以使用isHeldByCurrentThread() 和 getHoldCount()方法來檢查此情況是否發生。
此類的構造方法接受一個可選的公平引數。當設定為 true 時(也是當前ReentrantLock為公平鎖的情況
ReentrantLock 類基本結構
通過上文的簡單介紹後，我相信很多小夥伴還是一臉懵逼，只知道上文我們提到了ReentrantLock與synchronized相比有相同的語義，同時其內部分為了公平鎖與非公平鎖兩種鎖的型別，且該鎖是支援重進入的。那麼為了方便大家理解這些知識點，我們先從其類的基本結構講起。具體類結構如下圖所示：
從上圖中我們可以看出，在ReentrantLock類中，定義了三個靜態內部類，Sync、FairSync（公平鎖）、NonfairSync（非公平鎖）。其中Sync繼承了AQS（AbstractQueuedSynchronizer），而FairSync與NonfairSync又分別繼承了Sync。關於ReentrantLock基本類結構如下所示：
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private final Sync sync;
//預設無參建構函式，預設為非公平鎖
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
//帶引數的建構函式，使用者自己來決定是公平鎖還是非公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
//抽象基類繼承AQS，公平鎖與非公平鎖繼承該類，並分別實現其lock()方法
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
abstract void lock();
//省略部分程式碼..
}
//非公平鎖實現
static final class NonfairSync extends Sync {...}
//公平鎖實現
static final class FairSync extends Sync {....}
//鎖實習，根據具體子類實現呼叫
public void lock() {
sync.lock();
}
//響應中斷的獲取鎖
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
//嘗試獲取鎖，預設採用非公平鎖方法實現
public boolean tryLock() {
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
//超時獲取鎖
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
//釋放鎖
public void unlock() {
sync.release(1);
}
//建立鎖條件（從Condetion來理解，就是建立等待佇列）
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
//省略部分程式碼....
}
複製程式碼這裡為了方便大家理解
ReentrantLock類的整體結構，我省略了一些程式碼及重新排列了一些程式碼的順序。
從程式碼中我們可以看出。整個ReentrantLock類的實現其實都是交給了其內部FairSync與NonfairSync兩個類。在ReentrantLock類中有兩個建構函式，其中不帶引數的建構函式中預設使用的NonfairSync（非公平鎖）。另一個帶引數的建構函式，使用者自己來決定是FairSync（公平鎖）還是非公平鎖。
重進入實現
在上文中，我們提到了ReentrantLock是支援重進入的，那什麼是重進入呢？重進入是指任意執行緒在獲取到鎖之後能夠再次獲取該鎖，而不會被鎖阻塞。那接下來我們看看這個例子，如下所示：
class ReentrantLockDemo {
private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
methodA();
}
});
thread.start();
}
public static void methodA() {
lock.lock();
try {
System.out.println("我已經進入methodA方法了");
methodB();//方法A中繼續呼叫方法B
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void methodB() {
lock.lock();
try {
System.out.println("我已經進入methodB方法了");
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
//輸出結果
我已經進入methodA方法了
我已經進入methodB方法了
複製程式碼在上述程式碼中我們聲明瞭一個執行緒呼叫methodA()方法。同時在該方法內部我們又呼叫了methodB()方法。從實際的程式碼執行結果來看，當前執行緒進入方法A之後。在方法B中再次呼叫lock.lock();時，該執行緒並沒有被阻塞。也就是說ReentrantLock是支援重進入的。那下面我們就一起來看看其內部的實現原理。
因為ReenTrantLock將具體實現交給了NonfairSync（非公平鎖）與FairSync(公平鎖)。同時又因為上述提到的兩個鎖，關於重進入的實現又非常相似。所以這裡將採用NonfairSync（非公平鎖）的重進入的實現，來進行分析。希望讀者朋友們閱讀到這裡的時候需要注意，不是我懶哦，是真的很相似哦。
好了下面我們來看程式碼。關於NonfairSync程式碼如下所示：
static final class NonfairSync extends Sync {
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))////直接獲取同步狀態成功，那麼就不再走嘗試獲取鎖的過程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
複製程式碼當我們呼叫lock()方法時，通過CAS操作將AQS中的state的狀態設定為1，如果成功，那麼表示獲取同步狀態成功。那麼會接著呼叫setExclusiveOwnerThread(Thread thread)方法來設定當前佔有鎖的執行緒。如果失敗，則呼叫acquire(int arg)方法來獲取同步狀態（該方法是屬於AQS中的獨佔式獲取同步狀態的方法，對該方法不熟悉的小夥伴，建議閱讀Java併發程式設計之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)）。而該方法內部會呼叫tryAcquire(int acquires)來嘗試獲取同步狀態。通過觀察，我們發現最終會呼叫Sync類中的nonfairTryAcquire(int acquires)方法。我們繼續跟蹤。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//獲取當前執行緒
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//(1)判斷同步狀態，如果未設定，則設定同步狀態
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//(2)如果當前執行緒已經獲取了同步狀態，則增加同步狀態的值。
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;
}
複製程式碼從程式碼上來看，該方法主要走兩個步驟，具體如下所示：
- （1）先判斷同步狀態， 如果未曾設定，則設定同步狀態，並設定當前佔有鎖的執行緒。
- （2）判斷是否是同一執行緒，如果當前執行緒已經獲取了同步狀態（也就是獲取了鎖），那麼增加同步狀態的值。
也就是說，如果同一個鎖獲取了鎖N(N為正整數)次，那麼對應的同步狀態（state)也就等於N。那麼接下來的問題來了，如果當前執行緒重複N次獲取了鎖，那麼該執行緒是否需要釋放鎖N次呢？答案當然是必須的。當我們呼叫ReenTrantLock的unlock()方法來釋放同步狀態（也就是釋放鎖）時，內部會呼叫sync.release(1);。最終會呼叫Sync類的tryRelease(int releases)方法。具體程式碼如下所示：
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;
}
複製程式碼從程式碼中，我們可以知道，每呼叫一次unlock()方法會將當前同步狀態減一。也就是說如果當前執行緒獲取了鎖N次，那麼獲取鎖的相應執行緒也需要呼叫unlock()方法N次。這也是為什麼我們在之前的重入鎖例子中，為什麼methodB方法中也要釋放鎖的原因。
非公平鎖
在ReentrantLock中有著非公平鎖與公平鎖的概念，這裡我先簡單的介紹一下公平這兩個字的含義。這裡的公平是指執行緒獲取鎖的順序。也就是說鎖的獲取順序是按照當前執行緒請求的絕對時間順序，當然前提條件下是該執行緒獲取鎖成功。
那麼接下來，我們來分析在ReentrantLock中的非公平鎖的具體實現。
這裡需要大傢俱備
AQS(AbstractQueuedSynchronizer)類的相關知識。如果大家不熟悉這塊的知識。建議大家閱讀Java併發程式設計之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)。
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//直接獲取同步狀態成功，那麼就不再走嘗試獲取鎖的過程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
//省略部分程式碼...
}
複製程式碼當在ReentrantLock在非公平鎖的模式下，去呼叫lock（）方法。那麼接下來最終會走AQS(AbstractQueuedSynchronizer)下的acquire(int arg)（獨佔式的獲取同步狀態），也就是如下程式碼：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
複製程式碼那麼結合之前我們所講的AQS知識，在多個執行緒在獨佔式請求共享狀態下（也就是請求鎖）的情況下，在AQS中的同步佇列中的執行緒節點情況如下圖所示：
那麼我們試想一種情況，當Nod1中的執行緒執行完相應任務後，釋放鎖後。這個時候本來該喚醒當前執行緒節點的下一個節點,也就是Node2中的執行緒。這個時候突然另一執行緒突然來獲取執行緒（這裡我們用節點Node5來表示）。具體情況如下圖所示：
那麼根據AQS中獨佔式獲取同步狀態的邏輯。只要Node5對應的執行緒獲取同步狀態成功。那麼就會出現下面的這種情況，具體情況如下圖所示：
從上圖中我們可以看出，由於Node5物件的執行緒搶佔了獲取同步狀態(獲取鎖)的機會，本身應該被喚醒的Node2執行緒節點。因為獲取同步狀態失敗。所以只有再次的陷入阻塞。那麼綜上。我們可以知道。非公平鎖獲取同步狀態（獲取鎖）時不會考慮同步佇列中中等待的問題。會直接嘗試獲取鎖。也就是會存在後申請，但是會先獲得同步狀態（獲取鎖）的情況。
公平鎖
理解了非公平鎖，再來理解公平鎖就非常簡單了。下面我們來看一下公平鎖與非公平鎖的加鎖的原始碼：
!hasQueuedPredecessors()(圖中紅框所示)。那我們檢視其原始碼（該程式碼在AQS中，強烈建議閱讀
Java併發程式設計之鎖機制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)）
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
複製程式碼程式碼理解理解起來非常簡單，就是判斷當前當前head節點的next節點是不是當前請求同步狀態（請求鎖）的執行緒。也就是語句 ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()。那麼接下來結合AQS中的同步佇列我們可以得到下圖：
那麼綜上我們可以得出，公平鎖保證了執行緒請求的同步狀態（請求鎖）的順序。不會出現另一個執行緒搶佔的情況。
最後
該文章參考以下圖書，站在巨人的肩膀上。可以看得更遠。
- 《Java併發程式設計的藝術》