如何了解Java多线程中的可重入锁ReentrantLock

这篇文章主要介绍“如何了解Java多线程中的可重入锁ReentrantLock”的相关知识，小编通过实际案例向大家展示操作过程，操作方法简单快捷，实用性强，希望这篇“如何了解Java多线程中的可重入锁ReentrantLock”文章能帮助大家解决问题。

前言

保证线程安全的方式有很多，比如CAS操作、synchronized、原子类、volatile保证可见性和ReentrantLock等，本文基于JDK1.8讲述ReentrantLock.

一、可重入锁

所谓可重入锁，即一个线程已经获得了某个锁，当这个线程要再次获取这个锁时，依然可以获取成功，不会发生死锁的情况。synchronized就是一个可重入锁，除此之外，JDK提供的ReentrantLock也是一种可重入锁。

二、ReentrantLock

2.1 ReentrantLock的简单使用

public class TestReentrantLock {
	private static int i = 0;

	public static void main(String[] args) {
		ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
		try {
		    lock.lock();
            i++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        System.out.println(i);
	}
}

上面是ReentrantLock的一个简单使用案列，进入同步代码块之前，需要调用lock()方法进行加锁，执行完同步代码块之后，为了防止异常发生时造成死锁，需要在finally块中调用unlock()方法进行解锁。

2.2 ReentrantLock UML图

2.3 lock()方法调用链

上图描述了ReentrantLock.lock()加锁的方法调用过程。在ReentrantLock中有一个成员变量private final Sync sync，Sync是AQS的一个子类。ReentrantLock的lock()方法中，调用了sync的lock()方法，这个方法为抽象方法，具体调用的是NonfairSync中实现的lock()方法：

/**
 * 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);
}

在这个方法中，先尝试通过CAS操作进行加锁。如果加锁失败，会调用AQS的acquire()方法：

/**
 * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
 * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
 * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
 * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
 * #tryAcquire} until success.  This method can be used
 * to implement method {@link Lock#lock}.
 *
 * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
 *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
 *        can represent anything you like.
 */
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

在AQS的acquire方法中，先尝试调用tryAcquire方法进行加锁，如果失败，会调用acquireQueued进入等待队列当中。acquireQueued方法将会在第三章中讲解，先来看tryAcquire方法的内容。AQS的tryAcquire方法是一个模板方法，其具体实现在NonfairSync的tryAcquire方法中，里面仅仅是调用了nonfairTryAcquire方法：

/**
 * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
 * subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
 */
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    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;
}

在这个方法中，先获取state判断其是否为0。如果为0表示没有其他线程占用锁，会尝试通过CAS操作将state设为1进行加锁；如果state不为0，表示某个线程已经占用了锁，判断占用锁的线程是否为当前线程，如果是，则将state进行加1的操作，这就是ReentrantLock可重入的实现原理。

三、AQS

AQS即AbstractQueuedSynchronizer。AQS提供了一个基于FIFO队列，可以用于构建锁或者其他相关同步装置的基础框架。AQS其实是CLH(Craig，Landin，Hagersten)锁的一个变种，下面来讲解AQS的核心思想及其具体实现。

3.1 state

/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

state是AQS中最核心的成员变量。这是一个volatile变量，当其为0时，表示没有任何线程占用锁。线程通过CAS将state从0置为1进行加锁，当线程持有锁的情况下，再次进行加锁，会将state加1，即重入。

3.2 exclusiveOwnerThread

/**
     * The current owner of exclusive mode synchronization.
     */
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;

exclusiveOwnerThread是AQS的父类AbstractOwnableSynchronizer中的成员变量，其作用是实现可重入机制时，用于判断持有锁的线程是否为当前线程。

3.3 AQS等待队列

除了以上state和exclusiveOwnerThread两个重要的成员变量以外，AQS还维护了一个等待队列。当线程尝试加锁失败时，会进入这个等待队列中，这也是整个AQS中最核心的内容。这个等待队列是一个双向链表，其节点Node对等待加锁的线程进行封装。

/**
 * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
 *
 * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
 * @return the new node
 */
private Node addWaiter(Node mode) {
    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;
        // 通过CAS操作将自身追加到链表尾部
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

当线程尝试加锁失败时，通过CAS操作将自身追加到链表尾部。入队之后，会调用acquireQueued在队列中尝试加锁：

/**
     * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
     * queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
     *
     * @param node the node
     * @param arg the acquire argument
     * @return {@code true} if interrupted while waiting
     */
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

在这个方法中，会判断其前置节点是否为头节点，如果是，则尝试进行加锁。如果加锁失败，则调用LockSupport.park方法进入阻塞状态，等待其前置节点释放锁之后将其唤醒。

3.4 AQS中的模板方法设计模式

AQS完美地运用了模板方法设计模式，其中定义了一系列的模板方法。比如以下方法：

// 互斥模式下使用：尝试获取锁
protected boolean tryAcquire(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
// 互斥模式下使用：尝试释放锁
protected boolean tryRelease(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
// 共享模式下使用：尝试获取锁
protected int tryAcquireShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
// 共享模式下使用：尝试释放锁
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

这些方法在AQS中只抛出了UnsupportedOperationException异常，所以需要子类去实现它们。之所以没有将这些方法设计成为抽象方法，是因为AQS的子类可能只需要实现其中的某些方法即可实现其功能。

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