前言
目前正在出一个Java多线程专题长期系列教程，从入门到进阶含源码解读, 篇幅会较多, 喜欢的话，给个关注❤️ ~
源码剖析
上节带大家学习了它的基本使用，我们可以了解到它是一个可重入锁,下面我们就一起看一下它的底层实现~
构造函数
我们在使用的时候，都是先new它，所以我们先看下它的构造函数,它主要有两个:
public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); } public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); } 复制代码
从字面上看，它们之间的不同点在于fair,翻译过来就是公平的意思,大体可以猜到它是用来构建公平锁和非公平锁,在继续往下看源码之前，先给大家科普一下这两种锁。
公平锁 & 非公平锁
公平锁多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，线程会直接进入队列去排队，永远都是队列的第一位才能得到锁。(例如银行办业务取号)
这种锁的优点很明显，每个线程都能够获取资源，缺点也很明显，如果某个线程阻塞了，其它线程也会阻塞，然而cpu唤醒开销很大，之前也给大家讲过
非公平锁多个线程都去尝试获取锁，获取不到就进入等待队列，cpu也不用去唤醒
优缺点正好和上边相反,优点减少开销，缺点也很明显，可能会导致一直获取不到锁或长时间获取不到锁
好，有了基本概念之后，我们继续往下看
NonfairSync
首先，我们看下非公平锁,默认情况下，我们申请的都是非公平锁，也就是new ReentrantLock(),我们接着看源码
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); } } 复制代码
它继承了Sync,Sync是一个内容静态抽象类:
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {...} 复制代码
分为公平和非公平，使用AQS状态来表示持锁的次数,在构造函数初始化的时候都有sync = ...,我们接着看NonfairSync。在使用的时候，我们调用了lock.lock()方法,它是ReentrantLock的一个实例方法
// 获取锁 public void lock() { sync.lock(); } 复制代码
实际上内部还是调了sync的内部方法,因为我们申请的是非公平锁,所以我们看NonfairSync下的lock实现:
final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } 复制代码
compareAndSetState这个方法,是AQS的内部方法,意思是如果当前状态值等于预期值，则自动将同步状态设置为给定的更新值。此操作具有volatile读写的内存语义。
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } 复制代码
可以看到执行lock方法,会通过AQS机制计数，setExclusiveOwnerThread设置线程独占访问权限,它是AbstractOwnableSynchronizer的一个内部方法，子类通过使用它来管理线程独占
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {} 复制代码
可以看到它是继承了AbstractOwnableSynchronizer。下面接着看，我们说如果实际值等于期望值会执行上边的方法，不期望的时候会执行acquire(1)
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } 复制代码
这个方法以独占模式获取，忽略中断，它会尝试调用tryAcquire,成功会返回，不成功进入线程排队,可以重复阻塞和解除阻塞。看下AQS内部的这个方法
protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } 复制代码
我们可以看到实现肯定不在这，它的具体实现在NonfairSync
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } 复制代码
可以看到它调用了，nonfairTryAcquire方法,这个方法是不公平的tryLock,具体实现在Sync内部，这里我们要重点关注一下
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); // 返回同步状态值，它是AQS内部的一个方法 // private volatile int state; // protected final int getState() { // return state; // } int c = getState(); if (c == 0) { // 为0就比较一下，如果与期望值相同就设置为独占线程，说明锁已经拿到了 if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 否则 判断如果当前线程已经是被设置独占线程了 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 设置当前线程状态值 + 1 并返回成功 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } // 否则返回失败 没拿到锁 return false; } 复制代码
好，我们再回过头看下 acquire
public final void acquire(int arg) { // 如果当前线程没有获取到锁 并且 在队列中的线程尝试不断拿锁如果被打断了会返回true, 就会调用 selfInterrupt if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } 复制代码
selfInterrupt很好理解,线程中断
static void selfInterrupt() { Thread.currentThread().interrupt(); } 复制代码
其实我们关注的重点是这个方法acquireQueued，首先关注一下入参,它内部传入了一个addWaiter,最后它回NODE节点
private Node addWaiter(Node mode) { // mode 没啥好说的就是一个标记，用于标记独占模式 static final Node EXCLUSIVE = null; 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; } 复制代码
我们可以大体从猜到，Node是一个等待队列的节点类,是一个链表结构，之前我们讲FutureTask源码的时候也遇到过这种结构，它通常用于自旋锁,在这个地方，它是用于阻塞同步器
+------+ prev +-----+ +-----+ head | | <---- | | <---- | | tail +------+ +-----+ +-----+ 复制代码
好，下面我们关注一下 acquireQueued
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { // 默认是 false boolean interrupted = false; // 进入阻塞循环遍历 线程队列 for (;;) { // 返回前一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 判断如果前一个节点是头部节点，并且拿到锁了，就会设置当前节点为头部节点 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); // 这里可以看到注释 help gc , p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 检查并更新未能获取的节点的状态。如果线程应该阻塞，则返回 true 并且线程中断了 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { // 如果失败 取消正在尝试获取的节点 if (failed) cancelAcquire(node); } } 复制代码
从上面的源码来看，在体会一下上面讲的非公平锁的概念，是不是更好理解一些,然后就是释放锁unlock,这个方法我们可以看到是ReentrantLock下的一个实例方法，所以公平锁的释放锁也是调的这个方法,其实最终可以猜到调用的还是sync的方法
public void unlock() { sync.release(1); } 复制代码
Sync继承AQS,release是AQS的内部方法
public final boolean release(int arg) { // 尝试释放锁 tryRelease 在Sync内部 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; // 如果节点存在 并且状态值不为0 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 唤醒下个节点 unparkSuccessor(h); return true; } return false; } 复制代码
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) // 可以看到调用了 LockSupport来唤醒 LockSupport.unpark(s.thread); } 复制代码
我们再看下tryRelease, 同样这个实现在Sync内
protected final boolean tryRelease(int releases) { // 同样释放锁的时候 依然使用 AQS计数 int c = getState() - releases; // 判断当前线程是否是独占线程，不是抛出异常 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 如果是0 表示是释放成功 if (c == 0) { free = true; // 并且把独占线程设为null setExclusiveOwnerThread(null); } // 更新状态值 setState(c); return free; } 复制代码
FairSync
公平锁FairSync的区别在于,它的获取锁的实现在它的内部,Sync默认内部实现了非公平锁
static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; // 这个方法最终调用 tryAcquire final void lock() { acquire(1); } // 公平锁的实现 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // 这边和非公平锁的实现有些相似 同样判断状态 if (c == 0) { // 判断排队队列是否存在， 不存在并且比较期望值 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { // 设置独占线程 并返回成功 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 这边和上面类似 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } } 复制代码
它的实现比较简单，通过实现可以发现，它按照申请锁的顺序来获取锁，排第一的先拿到锁，在结合上面的概念理解一下，就很好理解了.
释放锁unlock，上面我们已经讲过了~
结束语
本节内容可能有点多，主要是看源码，可以打断点自己调一下, 举一反三,通过源码去理解一下什么是公平锁和非公平锁, ReentrantLock可重入锁体验在哪里。下一节，带大家理解一下CAS与原子操作的概念 ~
