ReentrantLock工作原理-阿里云开发者社区

AQS原理分析

什么是AQS

java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这些行为的抽象就是基于 AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）实现的，AQS是一个抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的同步器。JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS框架来实现的。

一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法

AQS具备的特性：

阻塞等待队列
共享/独占
公平/非公平
可重入
允许中断

AQS内部维护属性 volatile int state

state表示资源的可用状态
State三种访问方式：
getState()
setState()
compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式

Exclusive-独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share-共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch

AQS定义两种队列

同步等待队列：主要用于维护获取锁失败时入队的线程
条件等待队列：调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁

AQS 定义了5个队列中节点状态：

1. 值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。

2. CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；

3. SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark；

4. CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；

5. PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；

不同的自定义同步器竞争共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但
没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

同步等待队列

AQS当中的同步等待队列也称CLH队列，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先进先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。 AQS 依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理：

当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程
当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。
通过signal或signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列。（由条件队列转化为同步队列）

条件等待队列

AQS中条件队列是使用单向列表保存的，用nextWaiter来连接:
调用await方法阻塞线程；当前线程存在于同步队列的头结点，调用await方法进行阻塞（从同步队列转化到条件队列）

Condition接口详解

1. 调用Condition#await方法会释放当前持有的锁，然后阻塞当前线程，同时向Condition队列尾部添加一个节点，所以调用Condition#await方法的时候必须持有锁。

2. 调用Condition#signal方法会将Condition队列的首节点移动到阻塞队列尾部，然后唤醒因调用Condition#await方法而阻塞的线程 (唤醒之后这个线程就可以去竞争锁了)，所以调用Condition#signal方法的时候必须持有锁，持有锁的线程唤醒被因调用Condition#await方法而阻塞的线程

ReentrantLock

ReentrantLock是一种基于AQS框架的应用实现，是JDK中的一种线程并发访问的同步手段，它的功能类似于synchronized 是一种互斥锁，可以保证线程安全。相对于 synchronized,ReentrantLock具备如下特点：

可中断
可以设置超时时间
可以设置为公平锁
支持多个条件变量
与 synchronized 一样，都支持可重入

synchronized和ReentrantLock的区别：

synchronized关键字，是JVM层次的锁实现，ReentrantLock是类，是JDK层次基于AQS的锁实现；二者都是可重入的独占锁。
synchronized的锁状态是无法在代码中直接判断的，但是ReentrantLock可以通过 ReentrantLock#isLocked判断；
synchronized自动加解锁，ReentrantLock要手动加解锁，它的操作更加灵活。
synchronized是非公平锁，ReentrantLock是可以是公平也可以是非公平的；ReentrantLock要保证公平性也会引入额外的开销，导致吞吐量下降，慎用。
synchronized是不可以被中断的，而ReentrantLock#lockInterruptibly方法是可以被中断的；
在发生异常时synchronized会自动释放锁，而ReentrantLock需要开发者在finally块中显示释放锁；
ReentrantLock获取锁的形式有多种：如立即返回是否成功的tryLock(),以及等待指定时长的获取，更加灵活；
synchronized在特定的情况下对于已经在等待的线程是后来的线程先获得锁（回顾一下sychronized的唤醒策略），而ReentrantLock对于已经在等待的线程是先来的线程先获得锁；
在低竞争情况下synchronized的性能优于ReentrantLock。在高并发下，synchronized操作monitor涉及线程的用户态、内核态的切换，性能不如ReentrantLock。

ReentrantLock的使用

同步执行，类似于synchronized

private static  int sum = 0;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    //private static TulingLock lock = new TulingLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread thread = new Thread(()->{
                //加锁
                lock.lock();
                try {
                    // 临界区代码
                    // TODO 业务逻辑：读写操作不能保证线程安全
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        sum++;
                    }
                } finally {
                    // 解锁
                    lock.unlock();
                }
            });
            thread.start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(sum);
    }

可重入

public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        method1();
    }
    public static void method1() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method1");
            method2();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method2() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method2");
            method3();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void method3() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("execute method3");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

可中断

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("t1启动...");
            try {
                lock.lockInterruptibly();
                try {
                    log.debug("t1获得了锁");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.debug("t1等锁的过程中被中断");
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        try {
            log.debug("main线程获得了锁");
            t1.start();
            //先让线程t1执行
            Thread.sleep(1000);
            t1.interrupt();
            log.debug("线程t1执行中断");
        } finally {
            lock.unlock();
        }

锁超时

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("t1启动...");
            // 注意： 即使是设置的公平锁，此方法也会立即返回获取锁成功或失败，公平策略不生效
//            if (!lock.tryLock()) {
//                log.debug("t1获取锁失败，立即返回false");
//                return;
//            }
            //超时
            try {
                if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                    log.debug("等待 1s 后获取锁失败，返回");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return;
            }
            try {
                log.debug("t1获得了锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        try {
            log.debug("main线程获得了锁");
            t1.start();
            //先让线程t1执行
            Thread.sleep(2000);
        } finally {
            lock.unlock();
        }

公平锁

//ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //非公平锁
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "t" + i).start();
        }
        // 1s 之后去争抢锁
        Thread.sleep(1000);
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    log.debug(Thread.currentThread().getName() + " running...");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "强行插入" + i).start();
        }

条件变量

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition cigCon = lock.newCondition();
    private static Condition takeCon = lock.newCondition();
    private static boolean hashcig = false;
    private static boolean hastakeout = false;
    //送烟
    public void cigratee(){
        lock.lock();
        try {
            while(!hashcig){
                try {
                    log.debug("没有烟，歇一会");
                    cigCon.await();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("有烟了，干活");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    //送外卖
    public void takeout(){
        lock.lock();
        try {
            while(!hastakeout){
                try {
                    log.debug("没有饭，歇一会");
                    takeCon.await();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("有饭了，干活");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockDemo6 test = new ReentrantLockDemo6();
        new Thread(() ->{
            test.cigratee();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            test.takeout();
        }).start();
        new Thread(() ->{
            lock.lock();
            try {
                hashcig = true;
                log.debug("唤醒送烟的等待线程");
                cigCon.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t1").start();
        new Thread(() ->{
            lock.lock();
            try {
                hastakeout = true;
                log.debug("唤醒送饭的等待线程");
                takeCon.signal();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t2").start();
    }

ReentrantLock源码

加锁：

如果是非公平锁，尝试CAS（不自旋）将state由0改为1，如果成功，成功后将重入线程设置为当前线程。重入数加1。如果不成功，则再次判断state是否等于0，如果等于则再次尝试加锁，不等于则判断是否是重入，是则重入数加1，获取锁成功。如果失败则将线程放入同步等待队列，挂起线程。如果是公平锁，则是直接尝试加锁。即ReentrantLock是悲观锁，线程竞争锁失败也会被挂起

解锁：

将state-1，如果改后为0，直接将重入线程设置为null。
state=0时调用unsafe.park()唤起等待队列中的一个线程去竞争锁。

ReentrantLock工作原理