ReentrantLock加锁和解锁

1.ReentrantLock

1.1 ReentrantLock是什么

ReentrantLock 意思为可重入锁，指的是一个线程能够对一个临界资源重复加锁。

ReentrantLock内部实现依赖于AQS。

1.2 AQS是什么

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是抽象队列同步器，在线程访问共享资源时候，会先判断资源是否上锁了，
如果上锁了，那么把该线程放入CLH队列中进行等待；
如果没上锁，那么把该线程设置为工作线程。

AQS的主要原理图：

AQS 使用一个 Volatile 的 int 类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO 队列来完成资源获取的排队工作，通过 CAS 完成对 State 值的修改。

1.3 ReentrantLock的代码结构

ReentrantLock有三个内部类：

1. Sync：继承自AQS的同步控制基础。
2. NonfairSync：Sync的非公平版本实现
3. FairSync：Sync的公平版本实现

ReentrantLock默认实例化的非公平锁NonfairSync。可以通过传递false，来实例化公平锁FairSync

1.4 ReentrantLock的加锁和解锁过程

FairSync加锁过程：

调用lock()方法即可加锁。

加锁时先tryAcquire(1)尝试获取锁：

• 如果获取成功，那么把当前线程设置为工作线程，结束加锁流程
• 如果获取失败，那么把当前线程添加到CLH队列的队尾进行等待。

FairSync解锁过程：

调用unlock()方法即可解锁。注意，该方法一定要放在finally块中进行调用！

解锁时调用tryRelease(arg)方法

• 如果成功，唤醒等待队列中的线程进行工作
• 如果失败，返回false

NonFairSync加锁解锁过程：

加锁过程不同于FairSync，NonFairSync会在调用lock()时，直接尝试把state设置为1：

• 如果失败，会调用nonfairTryAcquire()获取锁，而nonfairTryAcquire()在获取锁的时候，也不会顾及CLH队列中是否有线程在等待获取锁，从而实现非公平加锁。
• 如果成功，直接获取锁，执行业务。

解锁过程和FairSync一致。

1.5 ReentrantLock源码解析

FairSync加锁的主要方法：

lock()：

public void lock() {
	sync.lock();
}

看到lock()方法其实就是调用Sync的lock()方法，而Sync的Lock有NonFairSync和FairSync两种实现，这边先看FairSync的实现： 

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

 该方法的参数1，实际上即是state的值，1表示加锁。继续看acquire()方法：

public final void acquire(int arg) {
	if (!tryAcquire(arg) &&
		acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
		selfInterrupt();
}

acquire()调用了三个方法，分别是：

• tryAcquire()：尝试以独占模式获取锁
• addWaiter()：为当前线程和给定模式创建并排队节点。
• acquireQueued()：以独占不中断模式获取已在队列中的线程

先看tryAcquire()

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取state的值
    int c = getState();
    // state等于0，即共享资源没有被加锁
    if (c == 0) {
        /*
        先看队列中有没有线程在等待获取锁，
        如果没有那就设置当前线程就是工作线程
        如果有就返回false，此处体现了公平锁特性
         */
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 设置当前线程为独占线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 如果当前工作线程是该线程，那么可以重复获取锁，并将state的值+1，此处体现了ReentrantLock是可重入锁
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        // int有最大值，超过最大值后，state会变成负数，因此加了这个判断
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    // 共享资源被锁定，返回false
    return false;
}

这个方法的第一个if判断，提现了获取锁是公平的；第二个则体现是ReentrantLock是可重入锁。

看一下hasQueuedPredecessors()方法，

hasQueuedPredecessors():

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail; 
    Node h = head;
    Node s;
    // 头结点不等于尾节点，并且，（头结点的next不为null，或者next的线程不是当前线程）
    return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

 该方法的解析：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_38106322/article/details/107154961

addWaiter()：

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 把当前线程作为入参创建一个Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    // 如果队列的尾节点不为null，把node添加到队尾
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // cas设置尾节点
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 将节点插入队列，如果队列为空则初始化队列 
    enq(node);
    return node;
}

addWaiter()，就是把当前线程添加到队列中。 其中的enq()是在快速添加node到队尾失败才会调用，而这个方法也是添加node到队列中。

acquireQueued()：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 标记是否成功拿到资源
    boolean failed = true;
    try {
        // 标记等待过程中是否中断过
        boolean interrupted = false;
        // 开始自旋，要么获取锁，要么中断
        for (;;) {
            // 获取当前节点的前节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果前节点是头结点（工作节点）并且tryAcquire()成功
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 把node设置为头结点
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 靠前驱节点判断当前线程是否应该被阻塞
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // 阻塞当前节点
                    parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        // 如果执行失败，则把这个节点状态设置为取消状态
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

 这边多了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()方法。

shouldParkAfterFailedAcquire()：靠前驱节点判断当前线程是否应该被阻塞

parkAndCheckInterrupt()：阻塞当前节点

// 靠前驱节点判断当前线程是否应该被阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
	// 获取头结点的节点状态
	int ws = pred.waitStatus;
	// 说明头结点处于唤醒状态
	if (ws == Node.SIGNAL)
		return true;
	// 通过枚举值我们知道waitStatus>0是取消状态
	if (ws > 0) {
		do {
			// 循环向前查找取消节点，把取消节点从队列中剔除
			node.prev = pred = pred.prev;
		} while (pred.waitStatus > 0);
		pred.next = node;
	} else {
		// 设置前任节点等待状态为SIGNAL
		compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
	}
	return false;
}

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 阻塞当前线程
    LockSupport.park(this);
    // 当前线程被唤醒后，返回线程的中断状态，然后重置中断状态
    return Thread.interrupted();
}

FairSync解锁的主要方法：

在调用lock.unlock()时候，内部调用的是Sync的release()方法，源码：

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

release()： 

public final boolean release(int arg) {
    // 释放锁
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        // 如果当前头结点不为null，并且waitStatus不是0（无锁状态）
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 唤醒下一个线程开展业务
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

release()会调用tryRelease()方法：

• 如果返回tryRelease()false，那么release()直接返回false
• 如果返回true，进行判断后，会唤醒队列中下一个线程进行工作

tryRelease()：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 获取state的值，并且减去1（releases等于1）
    int c = getState() - releases;
    // 判断当前线程是不是工作线程，如果不是，抛出异常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 共享资源是否空闲的标记
    boolean free = false;
    // 如果state为0（空闲）
    if (c == 0) {
        // 设置空闲标记为true，并把当前工作线程设置为null
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 设置state等于0
    setState(c);
    return free;
}

tryRelease()会释放一次锁，不过ReentrantLock是可重入锁，因此释放一次后，共享资源不一定会处于空闲状态。

unparkSuccessor()：

private void unparkSuccessor(Node node) {
	// 获取头结点waitStatus
	int ws = node.waitStatus;
	if (ws < 0)
		compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
	// 获取当前节点的下一个节点
	Node s = node.next;
	// 如果下个节点是null或者下个节点被cancelled，就找到队列最开始的非cancelled的节点
	if (s == null || s.waitStatus > 0) {
		s = null;
		// 就从尾部节点开始找，到队首，找到队列第一个waitStatus<0的节点。
		for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
			if (t.waitStatus <= 0)
				s = t;
	}
	// 如果当前节点的下个节点不为空，而且状态<=0，就把当前节点unpark
	if (s != null)
		LockSupport.unpark(s.thread);
}

unparkSuccessor()就是唤醒线程进行工作。只有当唤醒下一个线程后，release()方法才会返回true。

NonFairSync加锁的主要方法：

对比FairSync的源码，会发现两者的区别就是在于lock方法：

 lock():

final void lock() {
    // 第一步直接尝试设置state的值（不公平啊）
    if (compareAndSetState(0, 1))
        // 设置成功，设置当前线程为工作线程
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        // 设置失败，再去尝试获取锁
        acquire(1);
}

 不公平锁加锁时，会直接尝试设置state的值。

再看acquire()方法,

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

可以看到和FairSync的acquire()方法一样，唯一不同的是tryAcquire()的不同；

tryAcquire()：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

tryAcquire()调用的是nonfairTryAcquire(),

nonfairTryAcquire():

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    // 如果共享资源处于空闲状态
    if (c == 0) {
        // 尝试设置直接设置state（不管队列中是否有排队的线程直接就插队，不公平啊）
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 设置state成功，就把当前线程设置为工作线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 如果当前线程就是工作线程，那么可以重复加锁
    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;
}

对比FairSync的tryAcquire()方法和nonfairTryAcquire()方法，可以看出唯一的区别就是nonfairTryAcquire()方法少了一个hasQueuedPredecessors()的判断，这个判断是判断CLH队列中有没有线程在等待获取资源。而非公平锁就不管等待队列是否有等待线程，直接去尝试获取资源（不公平）。

2.相关问题

1.lock.lock()是怎么锁定资源的？
通过AQS中变量state的值来判断这个资源有没有被锁定。
当代码执行到lock.lock()时，会判断state的值，
如果state等于0，那么获取锁并将state设置为1。
如果state不等于0，但是当前线程就是加锁线程，那么获取锁定资源，并把state+1
否则，调用LockSupport.park(this)，把当前线程挂起。获取锁定资源时候，会把当前线程设置为独占线程。

 2.lock.unlock()是怎么释放锁的？
先把state-1,并判断当前线程是不是独占线程，如果不是，抛出IllegalMonitorStateException异常
然后判断state是否为0？
如果等于0，把独占线程设置null，并返回true
如果不等于0，把state值设置为新的state，并返回false

3.锁被释放后，如何通知队列中的线程过来工作的？
在调用unlock()时候，如果tryRelease()成功，并且head节点不为null和head节点的waitStatus不等于0（0是初始值）
这时会调用LockSupport.unpark(s.thread)唤醒等待节点过来工作

4.等待线程被唤醒后工作后，会不会从CLH队列中移除
在等待线程被唤醒后工作后，会把头结点设置这个等待节点，等待节点会被设置为头结点，并把之前头结点的next指针指向null

5.ReentrantLock中公平锁和不公平锁的区别？
ReentrantLock中有两个内部类，分别是：NonfairSync（不公平锁）、FairSync（公平锁），ReentrantLock默认实例化的是不公平锁。
FairSync：加锁的时候会进行先看state是否等于0，如果是，那么会再去看队列中有没有线程在等待执行，如果有，那么就加入队尾等待执行。如果没有，才执行线程
NonfairSync：加锁时，先尝试设置state为1，成功则获取锁，否则则再去获取state的值，如果此时state等于0，那么直接获取锁，不管队列中是否还有没有线程在等待执行。如果不等于0，那么该线程加入队尾排队执行。
因此：
两个锁的区别在于加锁的时候。除此之外，其他逻辑一样。

6.AQS原理
AQS是抽象队列同步器，在线程访问共享资源时候，会先判断资源是否上锁了，
如果上锁了，那么把该线程放入CLH队列中进行等待；
如果没上锁，那么把该线程设置为工作线程。

7.Reentrantlock中的condition的使用方法和原理？
使用lock.newCondition();可以构造一个condition对象。
condition主要作用于线程之间通讯，功能类似Object的wait()和notify()
每个condition内部维护了队列，队列存放等待执行的线程，每调用一次condition.await()，队列都会增加，调用conditionA.signal();队列会移除元素。
condition.await();使当前线程等待，直到它被通知或中断。该方法会释放当前锁，并将当前线程放入CLH队列队尾中进行等待，然后唤醒condition中队列的第一个元素。
conditionA.signal();唤醒一个等待的线程。唤醒condition中队列的第一个元素。

8.独占锁和共享锁的区别？
独占锁：独占锁也叫排他锁,是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排他锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。
ReentrantLock 和 synchronized 都是独占锁
共享锁：共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据，能修改数据。
独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。
ReentrantReadWriteLock：读锁是共享锁，写锁是独占锁。读锁的共享可以保证并发读是高效的，读写，写读，写写是互斥的