Lock 体系 - 深入理解 ReentrantLock - 《Java 并发专题笔记》

1. ReentrantLock 介绍
2. 重入性实现原理
3. 公平锁与非公平锁
- 公平锁和非公平锁的实例
4. 中断响应（lockInterruptibly）
5. 锁申请等待限时（tryLock）
总结

1. ReentrantLock 介绍

ReentrantLock 是一个可重入的互斥（/独占）锁，又称为「独占锁」，是实现 Lock 接口的一个类。支持重入性，表示能够对共享资源能够重复加锁，即当前线程获取该锁再次获取不会被阻塞。在 java 关键字 synchronized 隐式支持重入性（关于synchronized可以看这篇文章），synchronized 通过获取自增，释放自减的方式实现重入。与此同时，ReentrantLock 还支持公平锁和非公平锁两种方式。 :::info synchronized 和 ReentrantLock 都具有重入性，ReentrantLock 还支持公平锁和非公平锁两种方式。 ::: ReentrantLock 通过自定义队列同步器（AQS-AbstractQueuedSychronized，是实现锁的关键）来实现锁的获取与释放。

2. 重入性实现原理

支持重入性，需解决两个问题：

在线程获取锁的时候，如果已经获取锁的线程是当前线程的话则直接再次获取成功；
由于锁会被获取n次，那么只有锁在被释放同样的n次之后，该锁才算是完全释放成功。

针对第一个问题，我们来看看 ReentrantLock 是怎样实现的，以非公平锁为例，判断当前线程能否获得锁为例，核心方法为nonfairTryAcquire：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //1. 如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //2.若被占有，检查占有线程是否是当前线程
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 3. 再次获取，计数加一
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

为了支持重入性，在第二步增加了处理逻辑，如果该锁已经被线程所占有了，会继续检查占有线程是否为当前线程，如果是的话，同步状态加1返回 true，表示可以再次获取成功。每次重新获取都会对同步状态进行加1的操作。

那么释放的时候处理思路是怎样的了？（依然还是以非公平锁为例）核心方法为tryRelease：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //1. 同步状态减1
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        //2. 只有当同步状态为0时，锁成功被释放，返回true
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 3. 锁未被完全释放，返回false
    setState(c);
    return free;
}

重入锁的释放必须得等到同步状态为0时锁才算成功释放，否则锁仍未释放。

3. 公平锁与非公平锁

ReentrantLock 支持两种锁

公平锁
非公平锁

何谓公平性，是针对获取锁而言的，如果一个锁是公平的，那么锁的获取顺序就应该符合请求上的绝对时间顺序，满足FIFO。

ReentrantLock 的构造方法无参时是构造非公平锁，源码为：

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

另外还提供了另外一种方式，可传入一个 boolean 值，true 时为公平锁，false 时为非公平锁，源码为：

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

公平锁每次都是从同步队列中的第一个节点获取到锁，而非公平性锁则不一定，有可能刚释放锁的线程能再次获取到锁。

公平锁 VS 非公平锁

公平锁每次获取到锁为同步队列中的第一个节点，保证请求资源时间上的绝对顺序，而非公平锁有可能刚释放锁的线程下次继续获取该锁，则有可能导致其他线程永远无法获取到锁，造成「饥饿」现象。
公平锁为了保证时间上的绝对顺序，需要频繁的上下文切换，而非公平锁会降低一定的上下文切换，降低性能开销。因此，ReentrantLock 默认选择的是非公平锁，则是为了减少一部分上下文切换，保证了系统更大的吞吐量。

公平锁和非公平锁的实例

public class FairLock implements Runnable{
    public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                fairLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"，获得锁!");
            }finally {
                fairLock.unlock();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        FairLock fairLock = new FairLock();
        Thread t1 = new Thread(fairLock, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(fairLock, "线程2");
        t1.start();t2.start();
    }
}

测试结果：

当参数设置为 true 时：线程1 和线程2 交替进行公平竞争交替打印

线程1，获得锁! 线程2，获得锁! 线程1，获得锁! 线程2，获得锁! 线程1，获得锁! 线程2，获得锁!
当参数设置为 false 时：此时线程1 可以持续拿到锁等线程1 执行完后，线程 2 才可以拿到线程，然后多次执行，这就是使用可重入锁后是非公平机制，线程可以优先多次拿到执行权。

线程1，获得锁! 线程1，获得锁! 线程1，获得锁! 线程1，获得锁! 线程1，获得锁! 线程2，获得锁! 线程2，获得锁! 线程2，获得锁! 线程2，获得锁!

4. 中断响应（lockInterruptibly）

对于 synchronized 来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种情况，获得这把锁继续执行，或者线程就保持等待。而使用重入锁，提供了另一种可能，这就是线程可以被中断。也就是在等待锁的过程中，程序可以根据需要取消对锁的需求。

下面的例子中，产生了死锁，但得益于锁中断，最终解决了这个死锁：

public class IntLock implements Runnable{
    public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
    int lock;
    /**
     * 控制加锁顺序，产生死锁
     */
    public IntLock(int lock) {
        this.lock = lock;
    }
    public void run() {
        try {
            if (lock == 1) {
                lock1.lockInterruptibly(); // 如果当前线程未被中断，则获取锁。
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                lock2.lockInterruptibly();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"，执行完毕！");
            } else {
                lock2.lockInterruptibly();
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                lock1.lockInterruptibly();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"，执行完毕！");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 查询当前线程是否保持此锁。
            if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                lock1.unlock();
            }
            if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
                lock2.unlock();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，退出。");
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        IntLock intLock1 = new IntLock(1);
        IntLock intLock2 = new IntLock(2);
        Thread thread1 = new Thread(intLock1, "线程1");
        Thread thread2 = new Thread(intLock2, "线程2");
        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread2.interrupt(); // 中断线程2
    }
}

线程 thread1 和 thread2 启动后，thread1 先占用 lock1，再占用 lock2；thread2 反之，先占 lock2，后占 lock1。这便形成 thread1 和 thread2 之间的相互等待。

代码 53 行（thread2.interrupt();），main 线程处于休眠（sleep）状态，两线程此时处于死锁的状态，代码 53 行 thread2 被中断（interrupt），故 thread2 会放弃对 lock1 的申请，同时释放已获得的 lock2。这个操作导致 thread1 顺利获得 lock2，从而继续执行下去。输出如下：

5. 锁申请等待限时（tryLock）

除了等待外部通知（中断操作 interrupt ）之外，限时等待也可以做到避免死锁。

通常，无法判断为什么一个线程迟迟拿不到锁。也许是因为产生了死锁，也许是产生了饥饿。但如果给定一个等待时间，让线程自动放弃，那么对系统来说是有意义的。可以使用 **tryLock()** 方法进行一次限时的等待。

public class TimeLock implements Runnable{
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void run() {
        try {
            if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
                Thread.sleep(6 * 1000);
            }else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get Lock Failed");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            // 查询当前线程是否保持此锁。
            if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" release lock");
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    /**
     * 在本例中，由于占用锁的线程会持有锁长达6秒，故另一个线程无法再5秒的等待时间内获得锁，因此请求锁会失败。
     */
    public static void main(String[] args) {
        TimeLock timeLock = new TimeLock();
        Thread t1 = new Thread(timeLock, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(timeLock, "线程2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

上述例子中，由于占用锁的线程会持有锁长达 6 秒，故另一个线程无法在 5 秒的等待时间内获得锁，因此，请求锁失败。

**ReentrantLock.tryLock()** 方法也可以不带参数直接运行。这种情况下，当前线程会尝试获得锁，如果锁并未被其他线程占用，则申请锁成功，立即返回 true。否则，申请失败，立即返回 false，当前线程不会进行等待。这种模式不会引起线程等待，因此也不会产生死锁。

总结

对上面 ReentrantLock 的几个重要方法整理如下：

**lock()**：获得锁，如果锁被占用，进入等待。
- 如果该锁没有被另一个线程保持，则获取该锁并立即返回，将锁的保持计数设置为 1。
- 如果当前线程已经保持该锁，则将保持计数加 1，并且该方法立即返回。
- 如果该锁被另一个线程保持，会进入 block 状态
**tryLock()**：尝试获得锁，如果成功，立即放回 true，反之失败返回 false。该方法不会进行等待，立即返回。
**tryLock(long time, TimeUnit unit)**：在给定的时间内尝试获得锁。
**lockInterruptibly()**：获得锁（和 lock 一致），但优先响应中断（如果当前线程未被中断，则获取锁）。
- 允许在等待时由其它线程调用等待线程的 Thread.interrupt() 方法来中断等待线程的等待而直接返回，这时不用获取锁，而会抛出一个 InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。
- 每个线程都有一个打扰标志。这里分两种情况，
  - 线程在 sleep 或 wait 或 join，此时如果别的进程调用此进程的 interrupt() 方法，此线程会被唤醒并被要求处理 InterruptedException；
  - 此线程在运行中，则不会收到提醒。但是此线程的「打扰标志」会被设置，可以通过 isInterrupted() 查看并作出处理。
**unLock()**：释放锁。

深入理解 ReentrantLock