面试官: 有了解过ReentrantLock的底层实现吗？说说看

编程语言 2022-06-15 06:42:57 阅读次数: 0

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 ~

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