Java中的显示锁ReentrantLock使用与原理详解

考虑一个场景，轮流打印0-100以内的技术和偶数。通过使用 synchronize 的 wait，notify机制就可以实现，核心思路如下：
使用两个线程，一个打印奇数，一个打印偶数。这两个线程会共享一个数据，数据每次自增，当打印奇数的线程发现当前要打印的数字不是奇数时，执行等待，否则打印奇数，并将数字自增1，对于打印偶数的线程也是如此

//打印奇数的线程
private static class OldRunner implements Runnable{
  private MyNumber n;

  public OldRunner(MyNumber n) {
    this.n = n;
  }

  public void run() {
    while (true){
      n.waitToOld(); //等待数据变成奇数
      System.out.println("old:" + n.getVal());
      n.increase();
      if (n.getVal()>98){
        break;
      }
    }
  }
}
//打印偶数的线程
private static class EvenRunner implements Runnable{
  private MyNumber n;

  public EvenRunner(MyNumber n) {
    this.n = n;
  }

  public void run() {
    while (true){
      n.waitToEven();      //等待数据变成偶数
      System.out.println("even:"+n.getVal());
      n.increase();
      if (n.getVal()>99){
        break;
      }
    }
  }
}

共享的数据如下

private static class MyNumber{
  private int val;

  public MyNumber(int val) {
    this.val = val;
  }

  public int getVal() {
    return val;
  }
  public synchronized void increase(){
    val++;
    notify(); //数据变了，唤醒另外的线程
  }
  public synchronized void waitToOld(){
    while ((val % 2)==0){
      try {
        System.out.println("i am "+Thread.currentThread().getName()+" ,but now is even:"+val+",so wait");
        wait(); //只要是偶数，一直等待
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
  public synchronized void waitToEven(){
    while ((val % 2)!=0){
      try {
        System.out.println("i am "+Thread.currentThread().getName()+" ,but now old:"+val+",so wait");
        wait(); //只要是奇数，一直等待
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
}

运行代码如下

MyNumber n = new MyNumber(0);
Thread old=new Thread(new OldRunner(n),"old-thread");
Thread even = new Thread(new EvenRunner(n),"even-thread");
old.start();
even.start();

运行结果如下

i am old-thread ,but now is even:0,so wait
even:0
i am even-thread ,but now old:1,so wait
old:1
i am old-thread ,but now is even:2,so wait
even:2
i am even-thread ,but now old:3,so wait
old:3
i am old-thread ,but now is even:4,so wait
even:4
i am even-thread ,but now old:5,so wait
old:5
i am old-thread ,but now is even:6,so wait
even:6
i am even-thread ,but now old:7,so wait
old:7
i am old-thread ,but now is even:8,so wait
even:8

上述方法使用的是 synchronize的 wait notify机制，同样可以使用显示锁来实现，两个打印的线程还是同一个线程，只是使用的是显示锁来控制等待事件

private static class MyNumber{
  private Lock lock = new ReentrantLock();
  private Condition condition = lock.newCondition();
  private int val;

  public MyNumber(int val) {
    this.val = val;
  }

  public int getVal() {
    return val;
  }
  public void increase(){
    lock.lock();
    try {
      val++;
      condition.signalAll(); //通知线程
    }finally {
      lock.unlock();
    }

  }
  public void waitToOld(){
    lock.lock();
    try{
      while ((val % 2)==0){
        try {
          System.out.println("i am should print old ,but now is even:"+val+",so wait");
          condition.await();
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  public void waitToEven(){
    lock.lock(); //显示的锁定
    try{
      while ((val % 2)!=0){
        try {
          System.out.println("i am should print even ,but now old:"+val+",so wait");
          condition.await();//执行等待
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }finally {
      lock.unlock(); //显示的释放
    }

  }
}

同样可以得到上述的效果

显示锁的功能

显示锁在java中通过接口Lock提供如下功能

lock: 线程无法获取锁会进入休眠状态，直到获取成功

• lockInterruptibly: 如果获取成功，立即返回，否则一直休眠到线程被中断或者是获取成功
• tryLock：不会造成线程休眠，方法执行会立即返回，获取到了锁，返回true,否则返回false
• tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException : 在等待时间内没有发生过中断，并且没有获取锁，就一直等待，当获取到了，或者是线程中断了，或者是超时时间到了这三者发生一个就返回，并记录是否有获取到锁
• unlock：释放锁
• newCondition：每次调用创建一个锁的等待条件，也就是说一个锁可以拥有多个条件

Condition的功能

接口Condition把Object的监视器方法wait和notify分离出来，使得一个对象可以有多个等待的条件来执行等待，配合Lock的newCondition来实现。

• await:使当前线程休眠，不可调度。这四种情况下会恢复 1：其它线程调用了signal，当前线程恰好被选中了恢复执行;2: 其它线程调用了signalAll;3:其它线程中断了当前线程 4：spurious wakeup (假醒)。无论什么情况，在await方法返回之前，当前线程必须重新获取锁
• awaitUninterruptibly:使当前线程休眠，不可调度。这三种情况下会恢复 1：其它线程调用了signal，当前线程恰好被选中了恢复执行;2: 其它线程调用了signalAll;3：spurious wakeup (假醒)。
• awaitNanos:使当前线程休眠，不可调度。这四种情况下会恢复 1：其它线程调用了signal，当前线程恰好被选中了恢复执行;2: 其它线程调用了signalAll;3:其它线程中断了当前线程 4：spurious wakeup (假醒)。5:超时了
• await(long time, TimeUnit unit) ：与awaitNanos类似，只是换了个时间单位
• awaitUntil(Date deadline):与awaitNanos相似，只是指定日期之后返回，而不是指定的一段时间
• signal:唤醒一个等待的线程
• signalAll:唤醒所有等待的线程

ReentrantLock

从源码中可以看到，ReentrantLock的所有实现全都依赖于内部类Sync和ConditionObject。

Sync本身是个抽象类，负责手动lock和unlock,ConditionObject则实现在父类AbstractOwnableSynchronizer中，负责await与signal

Sync的继承结构如下

Sync的两个实现类，公平锁和非公平锁

公平的锁会把权限给等待时间最长的线程来执行,非公平则获取执行权限的线程与线程本身的等待时间无关

默认初始化ReentrantLock使用的是非公平锁，当然可以通过指定参数来使用公平锁

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}

当执行获取锁时，实际就是去执行 Sync 的lock操作：

public void lock() {
  sync.lock();
}

对应在不同的锁机制中有不同的实现

1、公平锁实现

final void lock() {
  acquire(1);
}

2、非公平锁实现

final void lock() {
  if (compareAndSetState(0, 1)) //先看当前锁是不是已经被占有了，如果没有，就直接将当前线程设置为占有的线程
    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
  else
    acquire(1); //锁已经被占有的情况下，尝试获取
}

二者都调用父类AbstractQueuedSynchronizer的方法

public final void acquire(int arg) {
  if (!tryAcquire(arg) &&
    acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) //一旦抢失败，就会进入队列，进入队列后则是依据FIFO的原则来执行唤醒
    selfInterrupt();
}

当执行unlock时，对应方法在父类AbstractQueuedSynchronizer中

public final boolean release(int arg) {
  if (tryRelease(arg)) {
    Node h = head;
    if (h != null && h.waitStatus != 0)
      unparkSuccessor(h);
    return true;
  }
  return false;
}

公平锁和非公平锁则分别对获取锁的方式tryAcquire 做了实现，而tryRelease的实现机制则都是一样的

公平锁实现tryAcquire

源码如下

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
  final Thread current = Thread.currentThread();
  int c = getState(); //获取当前的同步状态
  if (c == 0) {
    //等于0 表示没有被其它线程获取过锁
    if (!hasQueuedPredecessors() &&
      compareAndSetState(0, acquires)) {
      //hasQueuedPredecessors 判断在当前线程的前面是不是还有其它的线程，如果有，也就是锁sync上有一个等待的线程，那么它不能获取锁，这意味着，只有等待时间最长的线程能够获取锁，这就是是公平性的体现
      //compareAndSetState 看当前在内存中存储的值是不是真的是0，如果是0就设置成accquires的取值。对于JAVA，这种需要直接操作内存的操作是通过unsafe来完成，具体的实现机制则依赖于操作系统。
      //存储获取当前锁的线程
      setExclusiveOwnerThread(current);
      return true;
    }
  }
  else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    //判断是不是当前线程获取的锁
    int nextc = c + acquires;
    if (nextc < 0)//一个线程能够获取同一个锁的次数是有限制的，就是int的最大值
      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    setState(nextc); //在当前的基础上再增加一次锁被持有的次数
    return true;
  }
  //锁被其它线程持有，获取失败
  return false;
}

非公平锁实现tryAcquire

获取的关键实现为nonfairTryAcquire,源码如下

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
  final Thread current = Thread.currentThread();
  int c = getState();
  if (c == 0) {
    //锁没有被持有
    //可以看到这里会无视sync queue中是否有其它线程，只要执行到了当前线程，就会去获取锁
    if (compareAndSetState(0, acquires)) {
      setExclusiveOwnerThread(current); //在判断一次是不是锁没有被占有，没有就去标记当前线程拥有这个锁了
      return true;
    }
  }
  else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    int nextc = c + acquires;
    if (nextc < 0) // overflow
      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    setState(nextc);//如果当前线程已经占有过，增加占有的次数
    return true;
  }
  return false;
}

释放锁的机制

protected final boolean tryRelease(int releases) {
  int c = getState() - releases;
  if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //只能是线程拥有这释放
    throw new IllegalMonitorStateException();
  boolean free = false;
  if (c == 0) {
    //当占有次数为0的时候，就认为所有的锁都释放完毕了
    free = true;
    setExclusiveOwnerThread(null);
  }
  setState(c); //更新锁的状态
  return free;
}

从源码的实现可以看到

ReentrantLock获取锁时，在锁已经被占有的情况下，如果占有锁的线程是当前线程，那么允许重入，即再次占有，如果由其它线程占有，则获取失败，由此可见，ReetrantLock本身对锁的持有是可重入的,同时是线程独占的。

公平与非公平就体现在，当执行的线程去获取锁的时候，公平的会去看是否有等待时间比它更长的，而非公平的就优先直接去占有锁

ReentrantLock的tryLock()与tryLock(long timeout, TimeUnit unit):

public boolean tryLock() {
//本质上就是执行一次非公平的抢锁
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

有时限的tryLock核心代码是 sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));，由于有超时时间，它会直接放到等待队列中，他与后面要讲的AQS的lock原理中acquireQueued的区别在于park的时间是有限的，详见源码 AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireNanos

为什么需要显示锁

内置锁功能上有一定的局限性，它无法响应中断，不能设置等待的时间

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