AQS独占锁之ReentrantLock源码调试（JDK8）

JavaReentrantLock实现原理及源码分析

原创已于 2024-03-13 17:13:49 修改 · 669 阅读

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于 2023-05-09 20:13:31 首次发布

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文章详细介绍了ReentrantLock的使用背景，包括管程模型中的同步队列和条件等待队列，以及如何通过AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现线程安全。ReentrantLock的加锁和解锁机制通过CAS和LockSupport工具类实现，确保了线程的并发控制。文章还简要讨论了公平锁和非公平锁的区别，并提供了一个简单的源码实现示例。

前言：
为什么需要学习ReentrantLock?
目前项目开发中使用到的几乎都是分布式锁，平时可能很少用到java自带的锁；但实际在我们java的源码中，随处可见需要使用锁来保证线程安全，所以还是有必要学习下ReentrantLock。

1.管程模型

可以说AQS就是基于管程模型来实现的，所以我们还需要了解；管程是管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让他们支持并发。
在这里插入图片描述

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。
在这里插入图片描述
管程中引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题。

入口等待队列： 例A和B竞争锁（共享变量），B竞争失败，B就放入该队列中等待。

例子：AQS中所有等待获取锁资源的线程的队列。具体来说，当一个线程尝试获取锁资源失败时，它将会被加入到同步队列的末尾，并进入自旋等待状态，直到获取到锁资源或被唤醒。而当其他线程释放锁资源时，它们会从同步队列的头部选取一个或多个线程，并将其移动到锁资源的拥有者上，从而使其可以继续执行。

条件队列: 例Condition接口调用了 await 的线程加入条件队列；signal唤醒后的线程最终还是加入到入口等待队列。

例子：AQS中，每个条件变量（Condition）都有一个等待队列，用来存放等待该条件的线程。当一个线程调用条件变量的await()方法时，它将会自动释放当前持有的锁，并加入到对应条件变量的等待队列中。而当其他线程调用条件变量的signal()或signalAll()方法时，它们会从对应条件变量的等待队列中选取一个或多个线程，并将其从等待队列中移动到同步队列（Sync Queue）中，以便重新竞争获取锁资源。

小结：同步队列主要解决了多个线程同时请求同一个锁资源时的竞争问题。条件等待队列主要解决了线程等待特定条件的问题，避免了线程不必要的忙等待和性能损失。

2.先根据代码分析ReentrantLock的实现

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
lock.lock() //加锁
=======这里写业务代码=========
lock.unlock() //解锁

从上面代码可以看到，我们开发人员只需要在 lock和 unlock中间写业务代码，就能实现线程安全的业务逻辑，那我们可以猜想到，两个方法之间肯定是有保证同一时间段仅一个线程进入的锁。而java自带的魔法类 UnSafe中提供了CAS来保证原子操作，所以代码变成了下面这样。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
lock.lock() //加锁
	while(true){
		if(Cas加锁){
             break;//走到此说明加锁成功，跳出循环
		}
    }
=======获取到锁的线程在这里执行业务代码=========
lock.unlock() //解锁

上面已经保证了线程安全，但是也存在很大的问题，假如有1000个线程进来，只有T0拿到了锁，剩余999个线程一直在空转？ Cpu不堪重负，因此可以通过一些方案来处理没抢到锁的线程，例如 yeild，sleep。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
lock.lock() //加锁
	while(true){
		if(Cas加锁){
             break;//走到此说明加锁成功，跳出循环
		}
		//让出CPU使用权,一直让也不合适，999个线程互让没有意义,搞的跟活锁似的，还是只有T0在执行
		Thread.yeild()
		//睡多久？不好确定，万一T0瞬间就完成了
        Thread.sleep（1）;
        //最终方案：让加锁失败的线程阻塞在这里 
        LockSupport.park();
    }
=======获取到锁的线程在这里执行业务代码=========
lock.unlock() //解锁

上面的代码看着好像没问题了，但没抢到锁的999个线程难道一直阻塞下去？？占着茅坑不拉屎，所以需要有人去唤醒他，`而java自带的工具 LockSupport有park，自然也有unPark方法。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
lock.lock() //加锁
	while(true){
		if(Cas加锁){
             break;//走到此说明加锁成功，跳出循环
		}
		//让出CPU使用权,一直让也不合适，999个线程互让没有意义，还是只有T0在执行
		Thread.yeild()
		//睡多久？不好确定，万一T0瞬间就完成了
        Thread.sleep（1）;

		//将要阻塞的线程保存起来，例如保存到 HashSet（不好处理公平问题） 或 Queue
		 HashSet.add(Thread) ； LikedQueued.put(Thread)

        //最终方案：让加锁失败的线程阻塞在这里 
        LockSupport.park();
    }
=======获取到锁的线程在这里执行业务代码=========
lock.unlock() //解锁
thread = HashSet.get() ； thread = LikedQueued.take()
LockSupport.unpark(thread)；

小结：三板斧【自旋，Cas，LockSupport】+存储容器

至此，我们对实现一把锁有了一定概念，接下来就深入源码来查看JDK8中ReentrantLock的实现。

3. 源码阅读

ReentrantLock的锁分为公平锁和非公平锁，下面简单介绍一下：
公平：排队打饭，新来的人得排在你的后面。
非公平：排队打饭，新来的人可能会插队，排在你前面。

以下面这个demo为例子，来进行源码的调试。

/**
 * 模拟抢票场景  3个线程抢2张票
 */
public class ReentrantLockDemo {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//默认非公平
    private static volatile int tickets = 2; // 总票数
    public void buyTicket() {
        lock.lock(); // 获取锁
        try {
            if (tickets > 0) { // 还有票    读
                try {
                    Thread.sleep(10); // 休眠10ms
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "购买了第" + tickets-- + "张票"); //写
            } else {
                System.out.println("票已经卖完了，" + Thread.currentThread().getName() + "抢票失败");
            }
        } finally {
            //zheli 唤醒
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockDemo ticketSystem = new ReentrantLockDemo();
        Thread[] threads = new Thread[3];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 抢票
            threads[i]  =  new Thread(ticketSystem::buyTicket, "线程" + i);
        }
        // 启动线程
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("剩余票数：" + tickets);
    }
}

进入lock.lock() 的实现，再进去 sync.lock()的实现
在这里插入图片描述

此时出现了三个核心方法，我们一个一个讲：
tryAcquire(尝试获取锁)
在这里插入图片描述
else if 中代码块说明：
判断当前线程是否等于拿到锁的那个线程，如果是则将当前 state + acquires（例 state+1），表示这是第N次重入，这里可清晰看出可重入锁的判断依据。 statue 解锁时需要循环调用直到state为0，才表示锁已释放。

简单来说，tryAcquire方法就是尝试获取锁，获取锁成功方法返回true，当前线程就可以去执行业务代码了。

addWaiter(构建节点并入队)
在这里插入图片描述
至此，入队后，无论模式是否公平，都需要按队列的顺序去排队了。

acquireQueued(CLH队列中尝试获取锁，获取不到的阻塞)

predecessor 什么时候获取前节点会为null
在这里插入图片描述

到此处得注意下，shouldParkAfterFailedAcquire方法外是一个循环，也就是说节点第一次进来时，大多都会走到设置前置节点的waitStatus由0变为-1的逻辑，当第二次循环时才会执行parkAndCheckInterrupt阻塞线程。

至此线程就被阻塞了，新的线程进来，流程也是大同小异不再赘述；当线程被中断或unpark唤醒时，会走到上图的 return Thread.interrupted()，继续在for中尝试是否满足抢锁的条件，不满足就阻塞，以此类推。

所以接下来就开始讲下解锁逻辑：

当执行完业务代码，他就会执行 unlock()方法释放锁。
在这里插入图片描述

从尝试释放锁的逻辑可看出重入锁lock了多少次，就要释放多少次。（即调用多少次unlock）

到这里好像流程就走完了，其实不然，上图只是唤醒了下个节点，但是与头结点还保持着链接！从上面的源码中也并没有看到 lock.unlock方法中将【被唤醒线程与前节点的关联关系解除】。是的，其实他是在唤醒后去做的，就在 acquireQueued方法中的 p.next = null; // help GC

和synchronized的一些区别：
1.sync存在锁升级的过程，通过对象头2bit的标记记录着锁的级别。且syn是非公平的。
2.都是可重入锁，但是reentrantLock加了几次锁，就得手动释放几次锁，否则其他线程也拿不到锁。
3.reentrantLock是可以被interrupt信号和release方法中断唤醒的，sync全靠操作系统，不可控，对于我们开发并不方便。

注：今天讲的源码中并未使用到条件等待队列（Condition接口）

4.其他

自问自答：
1.waitStatus 类似我们业务的 state字段，只是一个标记，例如 = -1时，表示当前节点的下个节点允许被唤醒，只看reentrantLock的话没必要这个属性，但是AQS是很多工具类的基类，考虑的比较全。

2.唤醒阻塞线程的2种方式，一种是 lock.unLock，其实就是去调用 LockSupport.unpark（要唤醒的线程），
另一种就是interrupt信号唤醒，不过要区分 park方法
LockSupport.park 和 LockSupport.park(this) 区别：
一旦用 interrupt去唤醒 park，这个线程以后再也不会被 park住了。而park(this)就不会存在该问题。

3.为什么selfInterrupt方法打了一个中断标记？

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        //上面都为true时，这里会打一个中断标记，因为 parkAndCheckInterrupt 被唤醒的其中一种方式是靠 interrupt
        //且方法中判断完标记后，会清除， 这样我们使用这个工具的人（也就是程序员）不知道他是怎么被唤醒的，所以他这里又打了个标记。单看reentrantLock感觉框架直接用 isInterrupt就够了，没必要重新去打标记
        selfInterrupt(); //说白了，如果走到这里，说明当前线程是被中断标记唤醒的
}

4.AQS 中的一些重要属性：

volatile Node head; //指向双向链表的头    
volatile Node tail ; //指向双向链表的尾部
volatile Node prev; // 每个 new出来的 node节点的 prev属性指向上一个节点
volatile Node next;// 每个new出来的 node节点的 next属性指向 下一个节点
volatile Thread thread;  //既然是维护队列的,肯定有对线程的引用(便于后面unPark)

volatile int waitStatus;  //节点的生命状态 ,信号量 ,有如下几个值
值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；可能是异常，中断引起之类，需要被废弃结束
SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程可以运行了，也就是当前可以unpark；
CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；
PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；

最后附一份方法解析图
在这里插入图片描述
再附一份根据阅读源码后简写的demo

public class WrxSyncTest {
    /**
     * 安全工具
     */
    private static final Unsafe unsafe;
    /**
     * 共享变量  0：未有线程加锁  1：已有线程加锁
     */
    private volatile int state;
    /**
     * 相对于对象头的偏移量
     */
    private static final long stateOffset;
    private final ArrayBlockingQueue<Thread> queues = new ArrayBlockingQueue<Thread>(8);

    private static volatile int tickets = 2; // 总票数

    static {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (WrxSyncTest.class.getDeclaredField("state"));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public boolean getLock() {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, 0, 1);
    }

    public boolean releaseLock() {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, 1, 0);
    }

    public void buyTicket() {
        while (true) {
            if (this.getLock()){
                //加锁成功跳出循环
                break;
            }
            //加锁失败入队并进行阻塞
            queues.add(Thread.currentThread());
            LockSupport.park();
        }
        //业务代码
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(10); // 休眠10ms
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "购买了第" + tickets-- + "张票"); //写
        } else {
            System.out.println("票已经卖完了，" + Thread.currentThread().getName() + "抢票失败");
        }

        //解锁并唤醒下个线程
        this.releaseLock();
        LockSupport.unpark(queues.poll());
    }


    public static void main(String[] args) {
        WrxSyncTest ticketSystem = new WrxSyncTest();
        Thread[] threads = new Thread[3];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 抢票
            threads[i]  =  new Thread(ticketSystem::buyTicket, "线程" + i);
        }
        // 启动线程
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("剩余票数：" + tickets);
    }
}