在JUC中有一个Lock接口，功能和synchronized是类似，都是用于保证线程安全性, 与synchronized不一样的是，Lock接口提供了加锁和释放锁的方法，需要开发者使用这两种类型的方法去保证线程安全性，它无法像synchronized一样，自动加锁与释放锁。
public interface Lock {
// 用于抢占资源，如果抢占不到资源，则进入阻塞状态
void lock();
// 在等待资源时，可以被其他线程中断
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 尝试抢占锁资源，如果抢占到锁，则进入返回true，否则返回false
boolean tryLock();
// 尝试抢占锁，如果抢占到锁，则返回true，如果抢占不到，则会等待一段时间，
// 当等待时间结束后仍抢占不到锁，则返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 释放锁资源
void unlock();
// 返回Condition对象，用于线程间的通信，后续会讲到JUC中的具体实现
Condition newCondition();
}
Lock接口在JUC中有以下的具体实现:
-
ReentrantLock:重入锁，属于排他类型锁（重量级） -
ReentrantReadWriteLock: 可重入读写锁，主要体现在该类中维护了两个锁， ReadLock和WriteLock -
StampedLock：ReentrantReadWriteLock的改进版，Java 8 引入；
ReentrantLock的基本应用
ReentrantLock，顾名思义，是一个支持重入的排他锁，排他锁在前面相信大家都已经理解，那什么是重入呢？重入的意思是，如果一个线程已经获得锁资源了，后续再抢占相同的锁资源时，不需要再加锁，但需要记录重入次数，并且加锁的次数与释放锁的次数需要相等，否则抢占到锁的线程无法及时释放锁资源，从而进入死锁的状态。前面学到的synchronized也是重入锁。接下来演示一下ReentrantLock的应用
private static Lock lock = new ReentrantLock();
private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
List<Future> taskList = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
FutureTask task = new FutureTask(() -> {
// 加锁
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
return 1;
});
taskList.add(task);
new Thread(task).start();
}
taskList.stream().forEach(future -> {
try {
future.get();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
});
System.out.println(count);
}
上面的例子中，使用ReentrantLock的lock()方法和unlock()方法，对非原子操作count++进行加锁，保证其在多线程下的线程安全性。
ReentrantLock原理解析
通过ReentrantLock的lock()方法，可以看到，它是通过sync.lock()来进行加锁的。
public void lock() {
sync.lock();
}
而sync是在ReentrantLock中定义的一个内部抽象类，它继承了AbstractQueuedSynchronizer抽象类，并且两个实现类，FairSync（公平锁）和NonfairSync（非公平锁）。首先我们先从AbstractQueuedSynchronizer (AQS)讲起。
AbstractQueuedSynchronizer （AQS）
在JUC中，大部分组件都依赖于AQS，它提供了两种锁的实现
-
独占锁：同一时刻只能有一个线程获得锁 -
共享锁：同一时刻允许多个线程同时获得锁，
在AQS中，维护了一个变量state，表示共享资源，并提供了CAS操作方法来改变state的值。
-
state = 0: 表示当前资源空闲 -
state > 0: 表示有线程争抢到资源并未释放，重入情况下，state可能大于1。
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// stateOffset是state变量的内存地址
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
AQS是一个抽象类，它本身是一个线程队列，并且已经实现了线程等待队列的维护和唤醒机制，我们可以通过图来理解。
当多个线程（T1,T2,T3,T4）去争抢锁时（调用AQS提供的抢占方法针对state变量进行CAS设值），抢占不到锁的线程会被放到阻塞队列中进行等待，当抢占到锁的线程（T1）执行完成后，会唤醒阻塞队列中的线程，让它们再重新去争抢锁，这个操作已经在AQS中实现。在使用AQS时，需要继承它并实现其提供的方法，来实现对state变量的获取和释放，具体有以下方法：
-
tryAcquire(int)：以独占的方式尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。 -
tryRelease(int)：以独占的方式尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。 -
tryAcquireShared(int)：以共享的方式尝试获取资源，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，且有剩余可用资源。 -
tryReleaseShared(int)：以共享的方式尝试获取资源，如果释放后允许唤醒后续等待节点则返回true，否则返回false。
ReentrantLock源码分析
了解了AQS的基本原理，接下来看看ReentrantLock的源码，了解其是如何利用AQS来保证线程安全性的。
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
* This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
* given fairness policy.
*
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
ReentrantLock有两个构造方法，可以选择选择公平锁或者非公平锁，默认会初始化非公平锁。
ReentrantLock.lock()
public void lock() {
sync.lock();
}
可以看到，lock()方法是使用同步器sync的lock()方法，而sync有FairSync和NonfairSync两种实现，这里以默认的NonfairSync非公平锁为例，进入其lock()方法，
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
// 对AQS中的state变量进行CAS设值
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
// 设置失败，说明抢占不到锁
acquire(1);
}
可以很直观的看到，在sync.lock()方法里，使用了compareAndSetState(0,1)进行CAS设值，如果设置成功，则将当前线程设置到AQS的exclusiveOwnerThread全局变量中，表明当前线程抢占到锁资源，而compareAndSetState(0,1)同样也是AQS提供的方法，在这个方法里，会对上面提到的state变量进行CAS设值，如果成功，则返回true。
/**
* Atomically sets synchronization state to the given updated
* value if the current state value equals the expected value.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
* and write.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual
* value was not equal to the expected value.
*/
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
如果抢占失败，则会走acquire(1)方法
/**
* Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented
* by invoking at least once {@link #tryAcquire},
* returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly
* repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
* #tryAcquire} until success. This method can be used
* to implement method {@link Lock#lock}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
可以看到，在acquire(int)方法中，会调用tryAcquire(arg)重新抢占一次锁，如果抢占不到才会调用将线程添加到等待队列中。而tryAcquire(arg)方法是AQS提供的方法，需要子类去实现，所以我们可以去NonfairSync类中查看此方法，会发现它又调用了NonfairSync(acquires)方法。
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
// 拿到AQS中state变量值
int c = getState();
// state等于0，表明当前没有线程在占有资源，可以争抢
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 当前线程等于占有资源的线程，表明是线程重入
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;
}
在nonfairTryAcquire()方法中，会先拿到AQS中的state变量，如果state等于0，表明当前没有线程在占有资源，可以去争抢资源，这也是非公平的体现，抢占的方式还是直接通过CAS对state变量设置，如果设置成功，则设置独占线程信息。如果state变量不等于0，表明已经有线程占有资源，则判断是否为重入线程，如果是重入线程，则需要对state变量进行加1，然后使用普通的setState(nextc)方法进行设值，因为当前线程是占有资源的线程，不会有其他线程同时对state变量进行操作，所以setState(nextc)方法不需要加任何同步机制。如果前面两个分支都无法命中，说明已经有其他线程正占有资源，直接返回false，表明抢占失败了，这时回到acquire(int arg)方法，会调用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))方法将线程添加到等待队列中。首先看一下addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法
/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
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;
// 如果已有线程在队列中等待，则将当前线程添加到队列尾部
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
// 共享模式
static final Node SHARED = new Node();
// 独占模式
static final Node EXCLUSIVE = null;
这里使用
Node来标记线程的抢占方式，如果为null表示独占模式，否则为共享模式
在addWaiter()方法中，将当前线程封装到Node里面，封装完成后，会拿到尾部节点的引用，如果不为null,则说明队列中已经有线程在等待，则将当前线程的Node前节点属性指向队列中的尾部节点引用，因为这个操作是存在多线程同时执行的可能，所以需要使用CAS操作来变更tail节点，如果CAS操作成功，则将当前线程前节点的后置节点指向当前线程的Node节点,这是一个双向链表添加尾部节点的操作。如果变更尾部节点失败，说明有其他线程变更了尾部节点，则继续调用enq(node)方法。
/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
在enq()方法中，会死循环中去重复刚才的操作设置尾部节点，如果期间队列中线程被全部唤醒，队列变为空的情况，则会重新初始化阻塞队列，然后将node添加的队列中。做完以上操作后，会返回包装了当前线程的node，然后调用acquireQueued(node,arg)方法。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// 线程中断标记，默认为false，表示线程未中断
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取当前线程的pre节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前置节点是头节点，并且抢占到资源
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 当前线程抢占到锁，则将当前线程的node设置为头节点，然后返回false
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 抢不到锁资源
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
在acquireQueued()方法中，会不断自旋去尝试获取锁，首先会判断当前线程的node前置节点是否为头节点，如果是头节点，并且通过tryAcquire()方法成功获取到锁，则会将当前节点设置为head节点（线程信息和前置节点信息都会被清除，可理解为当前线程的节点被从阻塞队列中移除），然后返回中断标记interrupted,默认为false。如果抢不到锁资源，则会走(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()逻辑进行判断，首先看一下shouldParkAfterFailedAcquire()方法。
/**
* Checks and updates status for a node that failed to acquire.
* Returns true if thread should block. This is the main signal
* control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev.
*
* @param pred node's predecessor holding status
* @param node the node
* @return {@code true} if thread should block
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 前置节点的状态为SIGNAL（-1）时，返回true，会走parkAndCheckInterrupt()方法将线程挂起
return true;
if (ws > 0) {
// 前置节点的状态为 CANCELLED(1)时，则将当前线程节点往前移动位置
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 如果前置节点状态为其他两种情况 CONDITION（-2）或者 PROPAGATE（-3）
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
Node有五种状态以下五种状态
-
CANCELLED(1)：取消状态，表明等待的线程已经等待超时或者被中断，需要从同步队列中移除，进入此状态后节点将不再变化； -
SIGNAL(-1)：表示节点正常被阻塞，只要前置节点释放锁，就会通知被标识为SIGNAL的后继节点，重争抢锁； -
CONDITION(-2)：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。 -
PROPAGATE(-3)：共享模式下，此状态的线程处于可运行的状态； -
0: 初始状态。
shouldParkAfterFailedAcquire()方法的作用就是通过节点的状态来判断是否需要挂起线程，并清理已被中断的线程节点。如果线程需要挂起，则会在acquireQueued()方法中继续走parkAndCheckInterrupt()方法，挂起线程，当后续线程被唤醒时，又会在自旋中去争抢锁，只有争抢到锁才会跳出循环。
/**
* Convenience method to park and then check if interrupted
*
* @return {@code true} if interrupted
*/
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
// 线程会阻塞在这句代码
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
最后返回到acquire()方法，如果acquireQueued()方法返回true，表明线程被中断，则会调用selfInterrupt()方法中断当前线程。
以上就是ReentrantLock整个加锁的逻辑分析，接下来看看ReentrantLock是如何释放锁的。
ReentrantLock.unlock()
在ReentrantLock释放锁时，需要调用其unlock()方法.
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;
}
可以看到，在unlock()方法中，使用的是sync.release(1)方法去释放资源的，而在release()方法中，会调用AQS的tryRelease()方法（在Sync中实现），这里也可以才想到，在tryRelease()方法中，无非就是对AQS的state变量进行CAS操作，将其设置回0，如果成功，则调用unparkSuccessor()方法唤醒同步队列中的后继线程节点,基于此猜想，我们先进入到tryRelease()方法中。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 拿到state变量，然后减1
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 如果计算后 state变量变为0，说明已经资源释放工作已经完成
if (c == 0) {
free = true;
// 重置独占线程变量为null，表明当前没有线程占有资源
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 将state的值设置到AQS变量中
setState(c);
return free;
}
前面有提到，lock()方法和unlock()方法的调用次数必须相等，最终才能够真正释放锁资源，细节便体现在这里，每次调用tryRelease()方法时都会减1，只有当state减到为0时，才会将ExclusiveOwnerThread线程设置为空，才表示完全释放了锁。当锁资源释放完成后，会调用unparkSuccessor()方法唤醒同步队列中的线程。
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 如果head节点的状态小于0，则将head节点的状态设置为0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从尾部节点开始扫描，找到距离head最近的一个状态小于0的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
//如果节点不为空，则唤醒当前线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
unparkSuccessor()主要有两个逻辑，首先判断当前节点状态，如果状态为失效，则从尾部节点开始，向前遍历，找到距离head节点最近的且状态为SIGNAL的节点，然后将其唤醒。
为什么是从尾部开始遍历呢？
因为在enq()方法中，会先将新节点的prev指向tail，然后通过CAS将tail设置为新的节点，最后t.next=node，将原tail的next节点指向新节点。如果在CAS操作之后，由于t.next=node还没执行，所以链表的关系还没有建立完整，此时便会导致遍历到t节点的时候被中断，如果从尾部节点往前遍历，就不会出现这样的问题。
至此，锁资源的释放逻辑就已经完成。
对于ReentrantLock的相关知识就讲到这里。读完记得 赞 一个，如发现文章有错误知识点，可以点击 阅读原文 给笔者留言修正。
原文始发于微信公众号（DevUnion）：JUC中的重入锁 – ReentrantLock
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