通俗易懂的 ReentrantLock，不懂你来砍我

前言

自己开的坑，跪着也要填完，欢迎来到Java并发编程系列第五篇ReentrantLock，文章风格依然是图文并茂，通俗易懂，本文带读者们深入理解ReentrantLock设计思想。

如果读过阿星写的前篇万字长文 | 16张图解开AbstractQueuedSynchronizer，本篇的效果拉满，未读过也没关系，依然能get到ReentrantLock原理。

认识下ReentrantLock

阿星先带读者们和ReentrantLock见个面，简单的认识下什么是ReentrantLock。

ReentrantLock是可重入的互斥锁，虽然具有与synchronized相同功能，但是会比synchronized更加灵活（具有更多的方法）。

ReentrantLock底层基于AbstractQueuedSynchronizer实现，AbstractQueuedSynchronizer在前一篇已经详细解剖过了，本文不做过多描述，但是会简单的介绍下，照顾小白。

AbstractQueuedSynchronizer抽象类定义了一套多线程访问共享资源的同步模板，解决了实现同步器时涉及的大量细节问题，能够极大地减少实现工作，用大白话来说，AbstractQueuedSynchronizer为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数，只有少量细节由子类自己决定。

经过上述介绍，相信读者们对ReentrantLock有了初步的影响，下面开始发车了~

ReentrantLock结构组成

阿星觉得，学任何知识的第一件事，就是看清它的全貌，梳理出整体结构与主流程，之后逐个击破，所以阿星带读者们先看下ReentrantLock整体结构组成，对它的实现有个大致的了解。

上图可以看出来，ReentrantLock整体结构还是非常简单，阿星给读者们分析一波，为什么ReentrantLock结构是这样设计的，首先ReentrantLock实现了Lock接口，Lock接口是Java中对锁操作行为的统一规范，遵守规则规范是守法公民的基本素养，合情合理，Lock接口的定义如下

public interface Lock {

    /**
     * 获取锁
     */
    void lock();

    /**
     * 获取锁-响应中断 
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    /**
     * 返回获取锁是否成功状态
     */
    boolean tryLock();

    /**
     * 返回获取锁是否成功状态-响应中断 
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 释放锁
     */
    void unlock();

    /**
     * 创建条件变量
     */
    Condition newCondition();
}

Lock接口定义的函数不多，接下来ReentrantLock要去实现这些函数，遵循着解耦可扩展设计，ReentrantLock内部定义了专门的组件Sync， Sync继承AbstractQueuedSynchronizer提供释放资源的实现，NonfairSync和FairSync是基于Sync扩展的子类，即ReentrantLock的非公平模式与公平模式，它们作为Lock接口功能的基本实现。

大白话来说，企业的老板，为了响应政府的政策，需要对企业内部做调整，但是政府每年政策都不一样，每次都要自己去亲力亲为，索性长痛不如短痛，专门成立一个政策应对部门，以后这些事情都交予这个部门去做，老板只需要指挥它们就好了。

ReentrantLock结构组成读者们也清楚了，下面阿星只需对Sync、NonfairSync、FairSync逐个击破，ReentrantLock自然水到渠成。

小贴士：在ReentrantLock中，它对AbstractQueuedSynchronizer的state状态值定义为线程获取该锁的重入次数，state状态值为0表示当前没有被任何线程持有，state状态值为1表示被其他线程持有，因为支持可重入，如果是持有锁的线程，再次获取同一把锁，直接成功，并且state状态值+1，线程释放锁state状态值-1，同理重入多次锁的线程，需要释放相应的次数。

Sync

Sync可以说是ReentrantLock的亲儿子，它寄托了全村的希望，完美的继承了AbstractQueuedSynchronizer，是ReentrantLock的核心，后面的NonfairSync与FairSync都是基于Sync扩展出来的子类。

听阿星吹完了Sync，下面就来看看Sync类定义的核心部分

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;

        /**
         * 获取锁-子类实现
         */
        abstract void lock();

        /**
         * 非公平-获取资源
         */
        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            //获取当前线程
            final Thread current = Thread.currentThread();
            //获取当前状态
            int c = getState();
            if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取
                //cas设置state为acquires，acquires传入的是1
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //cas成功，设置当前持有锁的线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    //返回成功
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程，直接重入
                //state状态+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                //设置state状态，此处不需要cas，因为持有锁的线程只有一个    
                setState(nextc);
                //返回成功
                return true;
            }
            //返回失败
            return false;
        }
        
        /**
         * 释放资源
         */
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            //state状态-releases，releases传入的是1
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //如果当前线程不是持有锁线程，抛出异常
                throw new IllegalMonitorStateException();
            //设置返回状态，默认为失败
            boolean free = false;
            if (c == 0) {//state-1后，如果c==0代表释放资源成功
                //返回状态设置为true
                free = true;
                //清空持有锁线程
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //如果state-1后，state还是>0，代表当前线程有锁重入操作，需要做相应的释放次数，设置state值
            setState(c);
            return free;
        }
}        

阿星发现Sync有点偏心，首先Sync实现释放资源的细节（A Q S留给子类实现的tryRelease），然后声明了获取锁的抽象函数（lock），子类根据业务实现，目前看来还是很公平，但是Sync还定义了一个nonfairTryAcquire函数，这个函数是专门给NonfairSync使用的，FairSync却没有这种待遇，所以说Sync偏心。

Sync逻辑都比较简单，实现了A Q S类的释放资源（tryRelease），然后抽象了一个获取锁的函数让子类自行实现（lock），再加一个偏心的函数nonfairTryAcquire，但是再怎么简单，图还是要有的，这是阿星读者们的福利。

下面放一张tryRelease流程图，在后续的NonfairSync、FairSync都会有全面的流程。

NonfairSync

现在我们把视线转移到NonfairSync，在ReentrantLock中支持两种获取锁的策略，分别是非公平策略与公平策略，NonfairSync就是非公平策略。

此时读者会有问道，阿星什么是非公平策略？

在说非公平策略前，先简单的说下A Q S（AbstractQueuedSynchronizer）流程，A Q S为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数，加锁与解锁的模板流程是，获取锁失败的线程，会进入CLH队列阻塞，其他线程解锁会唤醒CLH队列线程，如下图所示（简化流程）

上图中，线程释放锁时，会唤醒CLH队列阻塞的线程，重新竞争锁，要注意，此时可能还有非CLH队列的线程参与竞争，所以非公平就体现在这里，非CLH队列线程与CLH队列线程竞争，各凭本事，不会因为你是CLH队列的线程，排了很久的队，就把锁让给你。

了解了什么是非公平策略，我们再来看看NonfairSync类定义

    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * 获取锁
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))//cas设置state为1成功，代表获取资源成功    
                //资源获取成功，设置当前线程为持有锁线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                //cas设置state为1失败，代表获取资源失败，执行AQS获取锁模板流程，否获取资源成功
                acquire(1);
        }
        
        /**
         * 获取资源-使用的是Sync提供的nonfairTryAcquire函数
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }
    
    /**
     * AQS获取锁模板函数，这是AQS类中的函数
     */
    public final void acquire(int arg) {
        /**
         * 我们只需要关注tryAcquire函数，后面的函数是AQS获取资源失败，线程节点进入CLH队列的细节流程，本文不关注
         */
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

NonfairSync继承Sync实现了lock函数，lock函数也非常简单，C A S设置状态值state为1代表获取锁成功，否则执行A Q S的acquire函数（获取锁模板），另外NonfairSync还实现了A Q S留给子类实现的tryAcquire函数（获取资源），这个被Sync宠幸的幸运儿，直接使用Sync提供的nonfairTryAcquire函数来实现tryAcquire，最后子类实现的tryAcquire函数在A Q S的acquire函数中被使用。

是不是有点绕？没事阿星带大家一起缕一缕

首先A Q S的acquire函数是获取锁的流程模板，模板流程会先执行tryAcquire函数获取资源，tryAcquire函数要子类实现，NonfairSync作为子类，实现了tryAcquire函数，具体实现是调用了Sync的nonfairTryAcquire函数。

接下来，我们再看看Sync专门给NonfairSync准备的nonfairTryAcquire函数逻辑

    /**
     * 非公平-获取资源
     */
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        //获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取当前状态
        int c = getState();
        if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取
            //cas设置state为acquires，acquires传入的是1
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                //cas成功，设置当前持有锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                //返回成功
                return true;
            }
        }
        //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程，直接重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            //state状态+1
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            //设置state状态，此处不需要cas，因为持有锁的线程只有一个    
            setState(nextc);
            //返回成功
            return true;
        }
        //返回失败
        return false;
    }

阿星对上述代码逻辑做个简单的概括，当前线程查看资源是否可获取：

• 可获取，尝试使用C A S设置state为1，C A S成功代表获取资源成功，否则获取资源失败
• 不可获取，判断当线程是不是持有锁的线程，如果是，state重入计数，获取资源成功，否则获取资源失败

就两句话，是不是十分简单，虽然简单但阿星还是画了一张nonfairTryAcquire流程图给读者们观赏

FairSync

有非公平策略，就有公平策略，FairSync就是ReentrantLock的公平策略。

所谓公平策略就是，严格按照CLH队列顺序获取锁，线程释放锁时，会唤醒CLH队列阻塞的线程，重新竞争锁，要注意，此时可能还有非CLH队列的线程参与竞争，为了保证公平，一定会让CLH队列线程竞争成功，如果非CLH队列线程一直占用时间片，那就一直失败（构建成节点插入到CLH队尾，由A S Q模板流程执行），直到时间片轮到CLH队列线程为止，所以公平策略的性能会更差。

了解了什么是公平策略，我们再来看看FairSync类定义

static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
        
        /**
         * 获取锁
         */
        final void lock() {
        //cas设置state为1失败，代表获取资源失败，执行AQS获取锁模板流程，否获取资源成功
            acquire(1);
        }

        /**
         * 获取资源
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            //获取当前线程
            final Thread current = Thread.currentThread();
            //获取state状态
            int c = getState();
            if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取
                //1.hasQueuedPredecessors判断当前线程是不是CLH队列被唤醒的线程，如果是执行下一个步骤
               //2.cas设置state为acquires，acquires传入的是1
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //cas成功，设置当前持有锁的线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    //返回成功
                    return true;
                }
            }
            //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程，直接重入
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //state状态+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                //设置state状态，此处不需要cas，因为持有锁的线程只有一个 
                setState(nextc);
                //返回成功
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

    /**
     * AQS获取锁模板函数，这是AQS类中的函数
     */
    public final void acquire(int arg) {
        /**
         * 我们只需要关注tryAcquire函数，后面的函数是AQS获取资源失败，线程节点进入CLH队列的细节流程，本文不关注
         */
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

其实我们不难发现FairSync流程与NonfairSync基本一致，唯一的区别就是在C A S执行前，多了一步hasQueuedPredecessors函数，这一步就是判断当前线程是不是CLH队列被唤醒的线程，如果是就执行C A S，否则获取资源失败，下面水一张图

Lock的实现

最后阿星带大家看看ReentrantLock中是如何实现Lock的，先看构造器部分

    //同步器
    private final Sync sync;
    
    //默认使用非公平策略
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    //true-公平策略 false非公平策略
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

ReentrantLock默认是使用非公平策略，如果想指定模式，可以通过入参fair来选择，这里就不做过多概述，接下来看看ReentrantLock对Lock的实现

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    //同步器
    private final Sync sync;

    //默认使用非公平策略
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    //true-公平策略 false非公平策略
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    /**
     * 获取锁-阻塞
     */
    public void lock() {
        //基于sync实现
        sync.lock();
    }

    /**
     * 获取锁-阻塞，支持响应线程中断
     */
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        //基于sync实现
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    /**
     * 获取资源，返回是否成功状态-非阻塞
     */
    public boolean tryLock() {
        //基于sync实现
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }

    /**
     * 获取锁-阻塞，支持超时 
     */
    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        //基于sync实现    
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

    /**
     * 释放锁
     */
    public void unlock() {
        //基于sync实现
        sync.release(1);
    }

    /**
     * 创建条件变量
     */
    public Condition newCondition() {
        //基于sync实现
        return sync.newCondition();
    }

}

是不是特别简单，ReentrantLock对Lock的实现都是基于Sync来做的，有一种神器在手，天下我有的风范。

Sync承包了所有事情，为何它如此牛皮，因为Sync上有AbstractQueuedSynchronizer老大哥罩着，下有NonfairSync与FairSync两小弟可差遣，所以成为ReentrantLock的利器也合情合理。

最后阿星肝一张结合A Q S的流程图，来结束ReentrantLock。

历史好文推荐

- END -