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luoxiaofeng
2022-07-25
目录

可重入独占锁ReentrantLock

# 前言

image-20220726233126983

processon链接

https://www.processon.com/view/link/62dfe00de0b34d10ccd502bb (opens new window)

ReentrantLock是基于AQS框架的应用实现，具备AQS中的以下特性

阻塞等待队列 独占 公平/非公平 可重入 允许中断

ReentrantLock的核心实现

1.自旋 + CAS操作

2.CLH队列 双向队列

AQS当中的同步等待队列也称CLH队列，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人 发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先入先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。

3.LocksSuport LockSupport.park(thread); LockSupport.unpark(thread);

# 1 加锁过程（非公平）

final void lock() {
    //通过cas方式将state变量从0改为1，成功则将当前线程设置到exclusiveOwnerThread变量
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    //否则请求加锁
    else
        acquire(1);
}
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public final void acquire(int arg) {
    //尝试加锁
    if (!tryAcquire(arg) &&
        //加锁失败则以当前线程构建节点入队列（addWaiter）
        //更新前驱节点（上一节）点状态（可唤醒），并park住线程等待唤醒，唤醒后检查前驱节点是否头结点，是头节点则尝试加锁，加锁失败继续自循环park住线程
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        //前面中断唤醒过，则需要进行复位，恢复原先的中断状态
        selfInterrupt();
}
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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //非公平锁实现
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //state为0时，尝试加锁（即设置state为1）
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            //加锁成功则设置exclusiveOwnerThread变量为当前线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            //返回加锁成功
            return true;
        }
    }
    //state!=0且exclusiveOwnerThread变量等于当前线程
    //则state累加（可重入锁的实现）
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        //返回加锁成功
        return true;
    }
    //否则返回加锁失败
    return false;
}
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Node 重要属性

SHARED 共享属性 EXCLUSIVE 独占属性

static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;

pre next thread

前驱节点， 下一节点， 当前线程

waitStatus 节点的生命状态

SIGNAL = -1 // 可被唤醒
CANCELLED = 1 // 代表出现异常，中断引起的，需要废弃结束
CONDITION = -2 // 条件等待
PROPAGATE = -3 // 传播
0 - 初始状态Init状态

private Node addWaiter(Node mode) {
    //用当前线程为入参创建一个节点（独占属性）
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    //如果尾节点不为空
    if (pred != null) {
        //则设置当前节点的前驱节点为尾节点
        node.prev = pred;
        //将当前节点更新为尾节点
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            //更新成功则把前尾节点的下一个节点指向当前节点
            pred.next = node;
            //返回当前节点
            return node;
        }
    }
    //往队列添加当前节点
    enq(node);
    return node;
}

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        //如果尾节点为空（即队列为空）
        if (t == null) {
            //设置头结点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                //同时，头结点也是尾节点
                tail = head;
        //如果尾节点不为空
        } else {
            //则设置当前节点的前驱节点为尾节点
            node.prev = t;
            //将当前节点更新为尾节点
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                //更新成功则把前尾节点的下一个节点指向当前节点
                t.next = node;
                //返回当前节点
                return t;
            }
        }
    }
}
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final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //p = 当前节点的上一个节点
            final Node p = node.predecessor();
            //如果当前节点的上一个节点是头结点，并且加锁成功
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //将当前节点设置为头结点
                setHead(node);
                //旧头结点让GC回收
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //1.前驱节点状态为可唤醒，则当前节点所属线程可以park住
            //2.park住线程；清除线程的中断标识，并返回清除之前的状态
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            //出现异常时才执行，几率非常低
            //不过用lockInterruptibly()加锁时，如果用中断唤醒，会执行这个方法
            cancelAcquire(node);
    }
}

private void setHead(Node node) {
    //头结点的属性基本都为空，只有一个waitStatus属性用来判断下一节点是否可被唤醒等
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    //-1 前驱节点的状态为可唤醒，则返回true
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    //前驱节点的状态为异常，则依次往前找，直到非异常节点，将其下一节点指向当前节点。返回false
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    //否则，前驱节点状态设置为可唤醒。返回false
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    //重要！park住线程
    LockSupport.park(this);
    //清除线程的中断标识，并返回清除之前的状态
    return Thread.interrupted();
}

private void cancelAcquire(Node node) {
    if (node == null)
        return;
    //当前节点线程置为空
    node.thread = null;
    //当前节点前驱节点
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        //前驱节点状态为异常，则一直往前找，直到节点状态正常，将其置为当前节点的前驱节点
        node.prev = pred = pred.prev;
    //前驱节点的下一节点
    Node predNext = pred.next;
    //当前节点状态置为异常（取消）
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    //如果当前节点为尾节点，则尝试把前驱节点设为尾节点
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        //设置成功则把前驱节点的下一节点也置为空
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        //当前节点不是尾节点时：
        int ws;
        //如果 前驱节点不是头结点 
        //且 （前驱节点的状态是可唤醒 或者 前驱节点是非异常状态去尝试改成唤醒状态）
        //且 （前驱节点的线程不为空）
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            Node next = node.next;
            //当前节点的下一节点不为空 且 状态不为异常
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                //将前驱节点的下一节点指向 当前节点的下一节点
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            //前驱节点是头结点时
            //唤醒当前节点的下一节点
            unparkSuccessor(node);
        }

        node.next = node; // help GC
    }
}
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# 2 解锁过程

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

public final boolean release(int arg) {
    //更新state变量（state - 1），state为0时返回结果为true
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        //
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
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protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // state = state - 1
    int c = getState() - releases;
    //当前独占线程变量exclusiveOwnerThread不等于当前线程，则抛异常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        //如果state变为0，则返回标识置为true，当前独占线程变量exclusiveOwnerThread置为空
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    //设置state
    setState(c);
    return free;
}
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private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        //头节点状态为非异常时，更新为初始状态0
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //头结点的后继节点
    Node s = node.next;
    //头结点的后继节点为空，或者状态为异常时：
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        //将头结点的后继节点置为空
        s = null;
        //从尾节点开始向前找，找到最靠近头结点并且状态不为异常的节点。最终unpark该节点上的线程。
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        //unpark后继节点的线程
        LockSupport.unpark(s.thread);
}
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# 3 加锁过程（公平）

final void lock() {
    acquire(1);
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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // state为0时（锁未被占用），队列为空或者队列中的第一个为自己线程时，去尝试加锁
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail; 
    Node h = head;
    Node s;
    //头结点不等于尾节点（即队列不为空） 且 （头结点的后继节点为空 或者 头结点的后继节点线程不是当前线程）
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
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公平锁与非公平锁的实现区别主要在上面两段代码：

  1. 非公平锁加锁开始时会直接通过cas的方式先去尝试加锁。公平锁没这个操作。

if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());

2.公平锁方式在cas加锁前会先去判断队列是否已经有节点，有其他节点时去排队。

共享锁Semaphore

共享锁Semaphore→

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