JUC中Lock和ReentrantLock介绍及源码解析

Lock框架是jdk1.5新增的,作用和synchronized的作用一样,所以学习的时候可以和synchronized做对比。在这里先和synchronized做一下简单对比,然后分析下Lock接口以及ReentrantLock的源码和说明。具体的其他的Lock实现的分析在后面会慢慢介绍。

Lock框架和synchronized

有关synchronized的作用和用法不在具体说明,应该都很熟悉了。而Lock有着和synchronized一样的语意,但是比synchronized多了一些功能,单单就从Lock接口定义来看,比synchronized多出来的功能有:

  • 可中断的获取锁,就是获取锁的线程可以响应中断。
  • 可以尝试获取锁,也就是非阻塞获取锁,一个线程可以尝试去获取锁,获取成功就持有锁并返回true,否则返回false。
  • 带超时的尝试获取锁,就是在尝试获取锁的时候,会有超时时间,当到达了指定的时间后,还未获取到锁,就返回false。

除了定义之外,Lock框架还和synchronized有不一样的是:

  • Lock需要显示的加锁和释放锁,而且一定要在finally中去释放锁。而synchronized则不需要我们去关心锁的释放。
  • 锁的公平性,Lock接口并没有定义有关公平性的方法,而是在具体的实现类中使用AQS来实现锁的公平性。

Lock接口源码

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public interface Lock {

//获取锁,获取到锁后返回
//注意一定要记得释放锁
void lock();

//可中断的获取锁
//获取锁的时候,如果线程正在等待获取锁,则该线程能响应中断
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

//尝试获取锁,当线程获取锁的时候,获取成功与否都会立即返回
//不会一直等着去获取锁
boolean tryLock();

//带有超时时间的尝试获取锁
//在一定的时间内获取到锁会返回true
//在这段时间内被中断了,会返回
//在这段时间内,没有获取到锁,会返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

//释放锁
void unlock();

//获取一个Condition对象。
Condition newCondition();
}

Lock接口的定义并不复杂,获取锁释放锁以及非阻塞式的获取锁等方法的定义。其实想象一下日常使用的时候,也大概是如此,获取锁,释放锁,获取锁的时候没有得到锁,我就转一圈回来再试试,等到一定时间之后,我就不要了,走了。接口的定义没有太多要说的,接下来看Lock接口的实现。

Lock接口的实现

Lock接口主要的实现是ReentrantLock重入锁,另外还有ConcurrentHashMap中的Segment继承了ReentrantLock,在ReentrantReadWriteLock中的WriteLock和ReadLock也实现了Lock接口。

ReentrantLock

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁,等同于synchronized,但是比synchronized更强大灵活,减少死锁发生的概率。我们上面说Lock框架提供了公平锁的机制,就是在ReentrantLock中有提供公平锁机制的实现,默认为非公平锁。

在继续看ReentrantLock的各个方法实现之前,首先需要了解下内部是怎么实现公平锁和非公平锁的,其实想一下也简单,比如我就是一可重入锁ReentrantLock,你想从我这获得到公平的还是不公平的,但是不能我说什么就是什么,我这里有一个天平(AQS),这个是大家公认的可以实现公平和不公平的机器,你找我要,我就给天平说一声,他来操作,然后我再把结果给你。(越描述越复杂!)。几乎ReentrantLock中所有的操作都会交给Sync去实现。

有关AQS这里不做介绍,在AQS专门的文章有介绍,请自行查阅把。接下来就看看我拿着的两把锁,公平和不公平。

Sync

Sync是公平和非公平两种的基类,直接看代码,看不明白的话,可以先看下面公平和非公平的解析,然后再返回来:

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//继承自AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

//由具体的子类实现,即公平和非公平的有不同实现
abstract void lock();

//非公平的尝试获取
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//当前AQS同步器的状态
int c = getState();
//状态为0,说明没有人获取锁
if (c == 0) {
//尝试获取,获取成功设为独占模式
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//这里解释跟公平的一样,参照下面的
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;
}

//尝试释放
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}

//是否是独占
protected final boolean isHeldExclusively() {
// While we must in general read state before owner,
// we don't need to do so to check if current thread is owner
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}

final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}

// Methods relayed from outer class
//获取持有者线程
final Thread getOwner() {
return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}
//获取重入数
final int getHoldCount() {
return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
}
//是否锁了
final boolean isLocked() {
return getState() != 0;
}

//
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}

FairSync

公平锁的实现,有关公平的实现,是此类进行处理的。

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//继承自Sync
static final class FairSync extends Sync {
//获取锁
//公平的lock方法交给了AQS的acquire方法去处理
//acquire方法采用独占模式,并且忽略中断
//而AQS获取锁的实现是先使用tryAcquire方法获取,获取不到就加入到队列中,一直尝试获取,直到成功返回,
//tryAcquire的实现又是具体的子类实现的,下面的tryAcquire方法就是公平的tryAcquire实现
//
final void lock() {
//参数1是AQS的同步状态
//首先了解下AQS中同步状态的定义,state
//0表示未被获取到锁,1表示已经被获取到锁了,大于1表示重入数
//我们要获取锁,肯定是想要现在的同步状态为0,然后我们把状态变成1,这样锁就是我们的了
acquire(1);
}

//公平的tryAcquire方法实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取AQS的同步状态
int c = getState();
//状态为0的话,说明没有其他人获取到锁
if (c == 0) {
//hasQueuedPredecessors查询是否还有其他线程比当前线程等待获取锁的时间更长
//compareAndSetState使用cas来设置状态,预期为0,我们想要设置的值为1
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//如果我们是等待获取时间最长的(这就是公平,我等的时间长,就该我第一个被服务)
//并且cas设置成功了,表示我们获取到锁了
//设置当前线程为独占访问
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//往下是state不为0的情况,也就是1,或者大于1
//如果当前线程和独占线程是同一个
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//当前状态加上我们要获取的参数1
//现在表示的是重入数
int nextc = c + acquires;
//state是一个32位整型,小于0,表示重入数超过了最大数
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置当前状态
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}

可以看到公平的tryAcquire在获取锁的开始只调用一次,获取到就获取到了,或者已经获取到增加重入数,没有获取到就返回false,如果返回false的话,AQS就会将其加入到队列中一直尝试获取。

NonfairSync

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//也是继承自Sync
static final class NonfairSync extends Sync {
//非公平的获取锁
final void lock() {
//先尝试直接获取锁
//如果能获取到锁,就设置为独占模式
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//直接获取不到的话,就会跟公平锁一样的流程去获取
//tryAcquire在下面
acquire(1);
}
//这里是非公平的tryAcquire,直接调用Sync中的nofairTryAcquire方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}

公平和非公平的区别

上面看完了代码,有点模糊,感觉代码都差不多,到底公平和非公平差别在哪里。首先看下公平的锁获取,公平锁获取会直接调用acquire方法,acquire方法并不是直接去获取锁,而是调用公平的tryAcquire方法,公平的tryAcquire方法首先获取到当前同步器状态,如果没有人用同步器,也就是状态为0,会先去判断有没有人比我等的时间更长,有的话我就不能获取锁,而是让别人先去;如果我是等待最长的那个,我就去使用CAS更改状态,获取锁。

而非公平的实现是,我上来就直接使用CAS获取锁,不问别人是不是等着很长时间了,我获取到了就是我的了,我获取不到,再调用acquire方法,然后acquire方法中调用非公平的tryAcquire方法,非公平的tryAcquire方法也是很直接,如果当前锁没有人用,也就是state为0,我不管有没有人比我等的时间长,我就去获取,然后设置独占。

公平锁,获取锁首先去尝试,没有的话就排队,轮到我之后,还要去问一下有没有等的时间更长的。非公平锁则是不排队,直接上,没有获取到,我也尝试获取,尝试获取的时候我还是直接上,不管其他人。

了解完公平和非公平锁,再去看其他方法就没那么难了。

ReentrantLock构造函数

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//可以看到,默认是非公平的
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}

还可以指定公平性

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public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

lock方法

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//直接调用公平或者非公平的同步器的lock方法
public void lock() {
sync.lock();
}

lock方法有三种情况:

  • 如果锁没有被其他线程持有,当前线程立即获得锁并返回,同步器状态设为1。
  • 如果当前线程已经持有锁,则状态加1,并立即返回。
  • 如果锁被其他线程持有,当前线程挂起直到获取到锁,然后返回,同步器设为1。

lockInterruptibly方法

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//可中断的获取锁
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
//调用AQS的方法
sync.acquireInterruptibly(1);
}

获取锁,可以被Thread.interrupt打断。也有三种情况:

  • 如果锁没有被其他线程持有,当前线程立即获得锁并返回,同步器状态设为1。
  • 如果当前线程已经持有锁,则状态加1,并立即返回。
  • 如果锁被其他线程持有,当前线程会挂起去获取锁,在这个过程会有两种情况:

    • 当前线程获取到了锁,返回,同步器状态设置1。
    • 当前线程被中断了,会抛出InterruptedException异常,并清除中断状态。

tryLock方法

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//尝试获取锁,不会阻塞,成功与否都会直接返回
public boolean tryLock() {
//使用的是非公平锁的获取
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}

使用非公平的锁获取,如果使用了公平的,获取的时候还要判断别人是不是了好久,而非公平的nonfairTryAcquire,能获取就直接获取到,获取不到就返回false,比较直接。

如果不想破坏公平性,可以使用带有超时时间的tryLock方法。

带超时的tryLock方法

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//在超时间内,并且没有被打断,锁没有被其他线程持有,就立即获取到锁并返回
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

如果使用的是公平锁,如果有其他等的时间更长的线程,即便现在锁没有人持有,当前线程也不会获取到锁,给等的时间更长的去获取。

unlock方法

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//释放锁
//直接调用AQS来释放锁
public void unlock() {
sync.release(1);
}

newCondition方法

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//返回一个新的Condition实例
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}

返回的Condition实例的方法,其实和Object的wait,notify,notifyAll方法的作用一样。

其他方法

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//重入次数
public int getHoldCount() {
return sync.getHoldCount();
}

//锁是否被当前线程持有
public boolean isHeldByCurrentThread() {
return sync.isHeldExclusively();
}

//查询锁是否被任何线程持有
public boolean isLocked() {
return sync.isLocked();
}

//是否是公平锁
public final boolean isFair() {
return sync instanceof FairSync;
}

//返回当前拥有锁的线程
protected Thread getOwner() {
return sync.getOwner();
}

//查询是否有线程在排队获取锁
public final boolean hasQueuedThreads() {
return sync.hasQueuedThreads();
}

//查询给定的线程是否在等待获取锁
public final boolean hasQueuedThread(Thread thread) {
return sync.isQueued(thread);
}

//得到正在等待获取锁的队列的长度
public final int getQueueLength() {
return sync.getQueueLength();
}

//获取正在等待获取锁的所有线程
protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {
return sync.getQueuedThreads();
}

//查询是否有线程正在等待给定的Condition
public boolean hasWaiters(Condition condition) {
if (condition == null)
throw new NullPointerException();
if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
throw new IllegalArgumentException("not owner");
return sync.hasWaiters((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
}

//得到正在等待一个Condition的队列的长度
public int getWaitQueueLength(Condition condition) {
if (condition == null)
throw new NullPointerException();
if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
throw new IllegalArgumentException("not owner");
return sync.getWaitQueueLength((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
}

//获取所有的等待某个Condition的线程集合
protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) {
if (condition == null)
throw new NullPointerException();
if (!(condition instanceof AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject))
throw new IllegalArgumentException("not owner");
return sync.getWaitingThreads((AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject)condition);
}

ReentrantLock和synchronized的区别

ReentrantLock和synchronized很类似,但是比synchronized多了更多功能,比如可中断锁,锁可以带超时时间,可以尝试非阻塞获取锁等。ReentrantLock还提供了条件Condition,跟Object的wait/notify类似,但是在多个条件变量和高度竞争锁的地方,ReentrantLock更加合适。

另外AQS是重点,一定要多学几遍,学会了,才能掌握锁(我还不太明白!)。

有关其他实现,比如ReentrantReadWriteLock的ReadLock和WriteLock以及ConcurrentHashMap中的Segment会另行介绍。

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