JUC的ReentrantLock怎么使用
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ReentrantLock 译为可重入锁，我们在使用时总是将其与 synchronized 关键字进行对比，实际上 ReentrantLock 与 synchronized 关键字在使用上具备相同的语义，区别仅在于 ReentrantLock 相对于 synchronized 关键字留给开发者的可操作性更强，所以在使用上更加灵活，当然凡事都有两面，灵活的背后也暗藏着更加容易出错的风险。
尽管语义相同，但 ReentrantLock 和 synchronized 关键字背后的实现机制却大相径庭。前面的文章中我们分析了 synchronized 关键字的实现内幕，知道了 synchronized 关键字背后依赖于 monitor 技术，而本文所要分析的 ReentrantLock 在实现上则依赖于 AQS 队列同步器，具体如何基于 AQS 进行实现，下面来一探究竟。
ReentrantLock 示例
本小节使用 ReentrantLock 实现一个 3 线程交替打印的程序，演示基于 ReentrantLock 实现锁的获取、释放，以及线程之间的通知机制。示例实现如下：
private static Lock lock = new ReentrantLock(true);
private static Condition ca = lock.newCondition();
private static Condition cb = lock.newCondition();
private static Condition cc = lock.newCondition();
private static volatile int idx = 0;
private static class A implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
cb.signalAll();
System.out.println("a: " + (++idx));
ca.await();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
private static class B implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
cc.signalAll();
System.out.println("b: " + (++idx));
cb.await();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
private static class C implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
ca.signalAll();
System.out.println("c: " + (++idx));
cc.await();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new A()).start();
new Thread(new B()).start();
new Thread(new C()).start();
}上述示例定义了 3 个线程类 A、B 和 C，并按照 A -> B -> C 的顺序进行组织，各个线程在调用 Lock#lock 方法获取到锁之后会先尝试通知后继线程（将对应的线程移入到同步队列），然后对 idx 变量进行累加并打印，接着进入等待状态并释放资源，方法 Lock#unlock 接下来会调度位于同步队列队头结点的线程继续执行。
ReentrantLock 实现内幕
Lock 接口
ReentrantLock 实现了 Lock 接口，该接口抽象了锁应该具备的基本操作，包括锁资源的获取、释放，以及创建条件对象。除了本文介绍的 ReentrantLock 外，JUC 中直接或间接实现了 Lock 接口的组件还包括 ReentrantReadWriteLock 和 StampedLock，我们将在后面的文章中对这些组件逐一分析。Lock 接口的定义如下：
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}各方法释义如下：
lock()：获取锁资源，如果获取失败则阻塞。lockInterruptibly()：获取锁资源，如果获取失败则阻塞，阻塞期间支持响应中断请求。tryLock()：尝试获取锁资源，不管是否获取成功都立即返回，如果获取成功则返回 true，否则返回 false。tryLock(long time, TimeUnit unit)：尝试获取锁资源，相对于无参版本的 tryLock 方法引入了超时机制，并支持在等待期间响应中断请求。unlock()：释放锁资源。newCondition()：创建一个绑定到当前 Lock 上的条件对象。
资源的获取与释放
上一小节分析了 Lock 接口的定义，ReentrantLock 实现了该接口，并将接口方法的实现都委托给了 Sync 内部类处理。Sync 是一个抽象类，继承自 AbstractQueuedSynchronizer，并派生出 FairSync 和 NonfairSync 两个子类（继承关系如下图），由命名可以看出 FairSync 实现了公平锁，而 NonfairSync 则实现了非公平锁。
ReentrantLock 提供了带 boolean 参数的构造方法，依据该参数来决定是创建公平锁还是非公平锁（默认为非公平锁），构造方法定义如下：
public ReentrantLock() {
// 默认创建非公平锁
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
// 依据参数决定创建公平锁还是非公平锁
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}下面将区分公平锁和非公平锁分析 ReentrantLock 针对 Lock 接口方法的具体实现，在开始之前先介绍一下 AQS 中的 state 字段在 ReentrantLock 中的作用。
我们知道 ReentrantLock 是可重入的，这里的可重入是指当一个线程获取到 ReentrantLock 锁之后，如果该线程再次尝试获取该 ReentrantLock 锁时仍然可以获取成功，对应的重入次数加 1。ReentrantLock 的重入次数则由 AQS 的 state 字段进行记录。当 state 为 0 时，说明目标 ReentrantLock 锁当前未被任何线程持有，当一个线程释放 ReentrantLock 锁时，对应的 state 值需要减 1。
非公平锁
本小节我们来分析一下非公平锁 NonfairSync 的实现机制，首先来看一下 NonfairSync#lock 方法，该方法用于获取资源，如果获取失败则会将当前线程加入到同步队列中阻塞等待。方法实现如下：
final void lock() {
// 尝试获取锁，将 state 由 0 设置为 1
if (this.compareAndSetState(0, 1)) {
// 首次获取锁成功，记录当前锁对象
this.setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
} else {
// 目标锁对象已经被占用，或者非首次获取目标锁对象
this.acquire(1);
}
}方法 NonfairSync#lock 加锁的过程首先会基于 CAS 操作尝试将 ReentrantLock 的 state 值由 0 改为 1，抢占锁资源，这也是非公平语义的根本所在。如果操作成功，则说明目标 ReentrantLock 锁当前未被任何线程持有，且本次加锁成功。如果操作失败则区分两种情况：
目标 ReentrantLock 锁已被当前线程持有。
目标 ReentrantLock 锁已被其它线程持有。
针对这两种情况，接下来会调用 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 方法尝试获取 1 个单位的资源，该方法由 AQS 实现，我们已经在前面的文章中分析过，其中会执行模板方法 AbstractQueuedSynchronizer#tryAcquire。NonfairSync 针对该模板方法的实现如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return this.nonfairTryAcquire(acquires);
}上述方法将尝试获取资源的逻辑委托给 Sync#nonfairTryAcquire 方法执行，ReentrantLock 的 ReentrantLock#tryLock() 方法同样基于该方法实现。下面来分析一下该方法的执行逻辑，实现如下：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
// 获取当前线程对象
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取 state 值
int c = this.getState();
if (c == 0) {
// state 为 0，表示目标锁当前未被持有，尝试获取锁
if (this.compareAndSetState(0, acquires)) {
this.setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 如果当前已经持有锁的线程已经是当前线程
else if (current == this.getExclusiveOwnerThread()) {
// 重入次数加 1
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) {
// 重入次数溢出
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
}
// 更新 state 记录的重入次数
this.setState(nextc);
return true;
}
// 已经持有锁的线程不是当前线程，尝试加锁失败
return false;
}方法 Sync#nonfairTryAcquire 的执行流程可以概括为;
获取当前 ReentrantLock 锁的 state 值；
如果 state 值为 0，说明当前 ReentrantLock 锁未被任何线程持有，基于 CAS 尝试将 state 值由 0 改为 1，抢占锁资源，修改成功即为加锁成功；
否则，如果当前已经持有该 ReentrantLock 锁的线程是自己，则修改重入次数（即将 state 值加 1）；
否则，目标 ReentrantLock 锁已经被其它线程持有，加锁失败。
如果 Sync#nonfairTryAcquire 方法返回 false，则说明当前线程尝试获取目标 ReentrantLock 锁失败，对于 ReentrantLock#lock 方法而言，接下去线程会被加入到同步队列阻塞等待，而对于 ReentrantLock#tryLock() 方法而言，线程会立即退出，并返回 false。
方法 ReentrantLock#newCondition 同样是委托给 Sync#newCondition 方法处理，该方法只是简单的创建了一个 ConditionObject 对象，即新建了一个条件队列。非公平锁 NonfairSync 中的以下方法都是直接委托给 AQS 处理，这些方法的实现机制已在前面分析 AQS 时介绍过：
ReentrantLock#lockInterruptibly：直接委托给AbstractQueuedSynchronizer#acquireInterruptibly方法实现，获取的资源数为 1。ReentrantLock#tryLock(long, java.util.concurrent.TimeUnit)：直接委托给AbstractQueuedSynchronizer#tryAcquireNanos方法实现，获取的资源数为 1。ReentrantLock#unlock：直接委托给AbstractQueuedSynchronizer#release方法实现，释放的资源数为 1。
前面的文章，我们在分析 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer#release 方法时，曾介绍过该方法会调用模板方法 AbstractQueuedSynchronizer#tryRelease 以尝试释放资源。ReentrantLock 针对该模板方法的实现位于 Sync 抽象类中，所以它是一个由 NonfairSync 和 FairSync 共用的方法，下面来分析一下该方法的实现。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 将当前 state 记录的重入次数减 1
int c = this.getState() - releases;
// 如果当前持有锁的线程对象不是当前线程则抛出异常
if (Thread.currentThread() != this.getExclusiveOwnerThread()) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
boolean free = false;
// 如果重入次数已经降为 0，则清空持有当前锁的线程对象
if (c == 0) {
free = true;
this.setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 更新当前锁的重入次数
this.setState(c);
return free;
}尝试释放资源的过程本质上就是修改 state 字段值的过程，如果当前操作的线程是持有 ReentrantLock 锁的线程，则上述方法会将 state 值减 1，即将已重入次数减 1。如果修改后的 state 字段值为 0，则说明当前线程已经释放了持有的 ReentrantLock 锁，此时需要清除记录在 ReentrantLock 对象中的线程 Thread 对象。
公平锁
本小节我们来分析一下公平锁 FairSync 的实现机制，这里的公平本质上是指公平的获取锁资源，所以主要的区别体现在加锁的过程，即 ReentrantLock#lock 方法。
前面我们在分析 NonfairSync 时看到，NonfairSync 在加锁时首先会基于 CAS 尝试将 state 值由 0 改为 1，失败的情况下才会继续调用 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 方法等待获取资源，并且在同步队列中等待期间仍然会在 state 为 0 时抢占获取锁资源。
FairSync 相对于 NonfairSync 的区别在于当 state 值为 0 时，即目标 ReentrantLock 锁此时未被任何线程持有的情况下，FairSync 并不会去抢占锁资源，而是检查同步队列中是否有排在前面等待获取锁资源的其它线程，如果有则让渡这些排在前面的线程优先获取锁资源。
下面来看一下 FairSync#lock 方法的实现，该方法只是简单的将获取锁资源操作委托给 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer#acquire 方法执行，所以我们需要重点关注一下模板方法 FairSync#tryAcquire 的实现：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 获取当前线程对象
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取当前 state 值
int c = this.getState();
if (c == 0) {
// state 为 0，表示目标锁当前未被持有，先检查是否有阻塞等待当前锁的线程，如果没有再尝试获取锁
if (!this.hasQueuedPredecessors() && this.compareAndSetState(0, acquires)) {
this.setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 如果当前已经持有锁的线程已经是当前线程，则修改已重入次数加 1
else if (current == this.getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) {
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
}
this.setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}上述方法的执行流程与 NonfairSync 中的相关实现大同小异，主要区别在于当 state 值为 0 时，FairSync 会调用 AbstractQueuedSynchronizer#hasQueuedPredecessors 检查当前同步队列中是否还有等待获取锁资源的其它线程，如果存在则优先让这些线程获取锁资源，并将自己加入到同步队列中排队等待。
感谢各位的阅读，以上就是“JUC的ReentrantLock怎么使用”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对JUC的ReentrantLock怎么使用这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是创新互联，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！
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