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面试——ReentrantLock

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导读：本篇文章讲解 面试——ReentrantLock，希望对大家有帮助，欢迎收藏，转发！站点地址：www.bmabk.com

面试——ReentrantLock

AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，是一个依赖状态的同步器。AQS定义了很多并发中的行为，比如：

  • 阻塞等待队列
  • 共享/独占
  • 公平/非公平
  • 可重入
  • 允许中断

ReentrantLock介绍

ReentrantLock是基于AQS框架实现的锁，它类似于Synchronized互斥锁，可以保证线程安全。基于AQS强大的并发特性和处理多线程的能力，ReentrantLock相比Synchronized，拥有更多的特性，比如支持手动加锁、解锁，支持公平锁等。

先来看一个例子：

package com.qf.lock;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;


public class MyLockSupportDemo {
    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                System.out.println(thread.getName()+":开始执行。");
                for(;;){//自旋
                    System.out.println(thread.getName()+":即将park当前线程");
                    LockSupport.park();//用于阻塞住线程
                    System.out.println(thread.getName()+":当前线程已被唤醒");
                }
            }
        },"thread-1");

        t1.start();

        try {
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("准备唤醒"+t1.getName()+"线程");
            LockSupport.unpark(t1);//唤醒阻塞的线程
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

显示结果：

thread-1:开始执行。
thread-1：即将park当前线程
准备唤醒thread-1线程
thread-1：当前线程已被唤醒
thread-1：即将park当前线程

从这个例子可以推导出，ReentrantLock的核心是这么一个逻辑：

LockSupport上锁->自旋->队列

Reentrantlock上锁的例子

接下来看下Reentrantlock上锁的例子

package com.qf.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;


public class MyReentrantLockDemo {

    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

    public static void reentrantLock(){
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":,第一次加锁");
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":,第二次加锁");
        lock.unlock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":,第一次解锁");
        lock.unlock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":,第二次解锁");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t0 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLock();
            }
        },"t0");

        t0.start();

        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLock();
            }
        },"t1");

        t1.start();
    }

}

运行结果：

t0:,第一次加锁
t0:,第二次加锁
t0:,第一次解锁
t0:,第二次解锁
t1:,第一次加锁
t1:,第二次加锁
t1:,第一次解锁
t1:,第二次解锁

我们发现一定得是在t0线程完全释放锁后，t1线程才能获得锁。

ReentrantLock的实现逻辑

公平锁和非公平锁

在ReentrantLock内部定义了Sync类，Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer类。我们发现AbstractQueuedSynchronizer是多个AQS关键类中的基类。这个类涉及到上锁的核心逻辑
在这里插入图片描述

那ReentrantLock是如何实现公平锁和非公平锁呢？ReentrantLock默认使⽤⾮公平锁，也可以通过构造器来显示的指定使⽤公平锁。在ReentrantLock中还有两个类继承自Sync：

  • NonfairSync
  • FairSync

他们实现公平和非公平的逻辑非常简单
——
我们先看一下公平锁，在获锁之前，通过!hasQueuedPredecessors()先看下是否有人排队，如果没有排队则尝试获锁，如果有排队，则进入排队队列。

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&//判断是否之前已有线程在等待锁
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

而非公平锁止是没有这个判断的。也就是说，非公平锁的情况下，相对较晚来的线程，在尝试上锁的时候，即使之前已经有等待锁的线程存在，它也是有可能上锁成功的。

        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

但公平锁则是先等待的，先获得锁，后来的后获得锁。这是hasQueuedPredecessors()方法的逻辑

    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());
    }

AbstractQueuedSynchronizer类的关键属性

ReentrantLock如何获得锁呢？先来看下AbstractQueuedSynchronizer类的结构。
在这里插入图片描述

  • state：同步器状态变量，值为0时表示当前可以被加锁。值为1 时表示有线程占⽤，其他线程需要进⼊到同步队列等待，同步队列是⼀个双向链表。

  • exclusiveOwnerThread：当前获取锁的线程

  • head：指向基于Node类构造的队列的队头，同步队列是⼀个双向链表。

  • tail：指向基于Node类构造的队列的队尾，同步队列是⼀个双向链表。

  • Thread：表示当前线程的引用，比如需要唤醒的线程。

上锁逻辑

    public final void acquire(int arg) {//1
        if (!tryAcquire(arg) &&//尝试加锁
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//没有加锁成功，尝试入队列
            selfInterrupt();
    }

以公平锁上锁为例，当使用lock()上锁，会传入1作为cas对state状态量的预计值进行修改，前提是查看同步队列中是否没有其他线程等待。

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&//查看同步队列
                    compareAndSetState(0, acquires)) {//CAS设置state值，期望旧值为0，期望新值为1
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//如果上锁失败，查看是否是自己持有锁，如果是，state+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

如果上锁失败，查看是否是自己持有锁，如果是则state++。

如果没有加锁成功，则尝试进入队列。

    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;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

队列的细节

虽然说当前线程已经入队列了，但线程还没有阻塞，接下来线程要做阻塞。

 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
              /*
           final Node predecessor() throws NullPointerException {
              Node p = prev;
              if (p == null)
                  throw new NullPointerException();
              else
                return p;
           }
              */
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {//阻塞之前，再抢一次锁，如果锁成功，头节点出队列
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())//进行阻塞
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

什么时候被唤醒呢？在lock.unlock()中唤醒

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;//state-1
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);//所属线程置空
            }
            setState(c);
            return free;
        }

唤醒线程：

private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        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)
            LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒线程
    }

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