ReentrantLock源码分析Java多线程

目录

1. 引言
2. ReentrantLock概述
3. ReentrantLock的核心类
4. ReentrantLock的构造函数
5. ReentrantLock的锁机制
   • 公平锁与非公平锁
   • 锁的获取
   • 锁的释放
6. ReentrantLock的同步机制
   • AQS（AbstractQueuedSynchronizer）
   • AQS的核心方法
7. ReentrantLock的Condition
   • Condition的实现
   • Condition的使用
8. ReentrantLock的性能分析
   • 性能对比
   • 性能优化
9. ReentrantLock的应用场景
10. 总结

引言

在多线程编程中，锁机制是保证线程安全的重要手段之一。Java提供了多种锁机制，其中ReentrantLock是java.util.concurrent.locks包中的一个重要类，它提供了比synchronized更灵活的锁操作。本文将深入分析ReentrantLock的源码，探讨其实现原理、锁机制、同步机制以及性能优化等方面的内容。

ReentrantLock概述

ReentrantLock是Java中一个可重入的互斥锁，它具有与synchronized相同的基本行为和语义，但提供了更灵活的锁操作。ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种模式，并且可以通过tryLock()方法尝试获取锁，避免线程阻塞。

ReentrantLock的核心类

ReentrantLock的核心类是ReentrantLock本身，它实现了Lock接口。ReentrantLock内部通过Sync类来实现锁的获取和释放，Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer（AQS），AQS是Java并发包中的一个核心类，提供了同步器的基本框架。

ReentrantLock的构造函数

ReentrantLock提供了两个构造函数：

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

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

• 无参构造函数默认创建非公平锁。
• 有参构造函数可以根据参数fair的值创建公平锁或非公平锁。

ReentrantLock的锁机制

公平锁与非公平锁

ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种模式：

• 公平锁：线程按照请求锁的顺序获取锁，先到先得。
• 非公平锁：线程可以插队获取锁，可能会导致某些线程长时间等待。

锁的获取

ReentrantLock通过lock()方法获取锁，lock()方法会调用Sync类的lock()方法。Sync类有两个子类：NonfairSync和FairSync，分别对应非公平锁和公平锁。

非公平锁的获取

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

• compareAndSetState(0, 1)：尝试通过CAS操作将锁的状态从0改为1，如果成功，表示获取锁成功。
• setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread())：设置当前线程为独占锁的持有者。
• acquire(1)：如果CAS操作失败，调用acquire(1)方法，该方法会尝试获取锁，如果获取失败，会将当前线程加入等待队列。

公平锁的获取

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

• acquire(1)：直接调用acquire(1)方法，该方法会尝试获取锁，如果获取失败，会将当前线程加入等待队列。

锁的释放

ReentrantLock通过unlock()方法释放锁，unlock()方法会调用Sync类的release()方法。

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

• release(1)：调用release(1)方法，该方法会释放锁，并唤醒等待队列中的下一个线程。

ReentrantLock的同步机制

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

AQS是Java并发包中的一个核心类，它提供了一个框架，用于实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的阻塞锁和相关同步器。AQS通过一个int类型的state变量来表示同步状态，并通过acquire()和release()方法来控制线程的阻塞和唤醒。

AQS的核心方法

• acquire(int arg)：尝试获取锁，如果获取失败，将当前线程加入等待队列。
• release(int arg)：释放锁，并唤醒等待队列中的下一个线程。
• tryAcquire(int arg)：尝试获取锁，子类需要实现该方法。
• tryRelease(int arg)：尝试释放锁，子类需要实现该方法。

ReentrantLock的Condition

ReentrantLock提供了Condition接口的实现，Condition用于替代Object的wait()、notify()和notifyAll()方法，提供了更灵活的线程等待和唤醒机制。

Condition的实现

Condition的实现类是ConditionObject，它是AQS的一个内部类。ConditionObject通过一个单向链表来维护等待队列，并通过await()和signal()方法来实现线程的等待和唤醒。

Condition的使用

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();

lock.lock();
try {
    while (condition not met) {
        condition.await();
    }
    // 执行操作
} finally {
    lock.unlock();
}

• await()：释放锁，并将当前线程加入等待队列。
• signal()：唤醒等待队列中的一个线程。

ReentrantLock的性能分析

性能对比

ReentrantLock与synchronized相比，具有更高的灵活性和更好的性能。ReentrantLock支持公平锁和非公平锁，可以通过tryLock()方法避免线程阻塞，并且提供了Condition接口来实现更灵活的线程等待和唤醒机制。

性能优化

• 减少锁的竞争：通过减少锁的持有时间和锁的粒度来减少锁的竞争。
• 使用非公平锁：非公平锁的性能通常优于公平锁，因为非公平锁允许线程插队获取锁。
• 使用tryLock()方法：通过tryLock()方法尝试获取锁，避免线程阻塞。

ReentrantLock的应用场景

ReentrantLock适用于需要更灵活锁操作的场景，例如：

• 需要公平锁的场景：某些场景下需要保证线程按照请求锁的顺序获取锁。
• 需要尝试获取锁的场景：某些场景下需要尝试获取锁，避免线程阻塞。
• 需要更灵活线程等待和唤醒的场景：某些场景下需要使用Condition来实现更灵活的线程等待和唤醒机制。

总结

ReentrantLock是Java中一个重要的锁机制，它提供了比synchronized更灵活的锁操作。通过深入分析ReentrantLock的源码，我们可以更好地理解其实现原理、锁机制、同步机制以及性能优化等方面的内容。在实际开发中，合理使用ReentrantLock可以提高多线程程序的性能和灵活性。