面试官: 有了解过ReentrantLock的底层实现吗？说说看
我们可以了解到它是一个可重入锁,下面我们就一起看一下它的底层实现~
构造函数
我们在使用的时候，都是先new它，所以我们先看下它的构造函数,它主要有两个:
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
从字面上看，它们之间的不同点在于fair,翻译过来就是公平的意思,大体可以猜到它是用来构建公平锁和非公平锁,在继续往下看源码之前，先给大家科普一下这两种锁。
公平锁 & 非公平锁
- 公平锁 多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，线程会直接进入队列去排队，永远都是队列的第一位才能得到锁。(例如银行办业务取号)
这种锁的优点很明显，每个线程都能够获取资源，缺点也很明显，如果某个线程阻塞了，其它线程也会阻塞，然而cpu唤醒开销很大，之前也给大家讲过
- 非公平锁 多个线程都去尝试获取锁，获取不到就进入等待队列，cpu也不用去唤醒
优缺点正好和上边相反,优点减少开销，缺点也很明显，可能会导致一直获取不到锁或长时间获取不到锁
好，有了基本概念之后，我们继续往下看
NonfairSync
首先，我们看下非公平锁,默认情况下，我们申请的都是非公平锁，也就是new ReentrantLock(),我们接着看源码
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
它继承了Sync,Sync是一个内容静态抽象类:
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {...}
分为公平和非公平，使用AQS状态来表示持锁的次数,在构造函数初始化的时候都有sync = ...,我们接着看NonfairSync。在使用的时候，我们调用了lock.lock()方法,它是ReentrantLock的一个实例方法
// 获取锁
public void lock() {
sync.lock();
}
实际上内部还是调了sync的内部方法,因为我们申请的是非公平锁,所以我们看NonfairSync下的lock实现:
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
compareAndSetState这个方法,是AQS的内部方法,意思是如果当前状态值等于预期值，则自动将同步状态设置为给定的更新值。此操作具有volatile读写的内存语义。
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
可以看到执行lock方法,会通过AQS机制计数，setExclusiveOwnerThread设置线程独占访问权限,它是AbstractOwnableSynchronizer的一个内部方法，子类通过使用它来管理线程独占
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {}
可以看到它是继承了AbstractOwnableSynchronizer。下面接着看，我们说如果实际值等于期望值会执行上边的方法，不期望的时候会执行acquire(1)
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
这个方法以独占模式获取，忽略中断，它会尝试调用tryAcquire,成功会返回，不成功进入线程排队,可以重复阻塞和解除阻塞。看下AQS 内部的这个方法
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
我们可以看到实现肯定不在这，它的具体实现在NonfairSync
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
可以看到它调用了，nonfairTryAcquire方法,这个方法是不公平的tryLock,具体实现在Sync内部，这里我们要重点关注一下
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
// 返回同步状态值，它是AQS内部的一个方法
// private volatile int state;
// protected final int getState() {
// return state;
// }
int c = getState();
if (c == 0) {
// 为0就比较一下，如果与期望值相同就设置为独占线程，说明锁已经拿到了
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 否则 判断如果当前线程已经是被设置独占线程了
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 设置当前线程状态值 + 1 并返回成功
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 否则返回失败 没拿到锁
return false;
}
好，我们再回过头看下 acquire
public final void acquire(int arg) {
// 如果当前线程没有获取到锁 并且 在队列中的线程尝试不断拿锁如果被打断了会返回true, 就会调用 selfInterrupt
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
selfInterrupt很好理解,线程中断
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
其实我们关注的重点是这个方法acquireQueued，首先关注一下入参,它内部传入了一个addWaiter,最后它回NODE节点
private Node addWaiter(Node mode) {
// mode 没啥好说的就是一个标记，用于标记独占模式 static final Node EXCLUSIVE = null;
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
我们可以大体从猜到，Node是一个等待队列的节点类,是一个链表结构，之前我们讲FutureTask源码的时候也遇到过这种结构，它通常用于自旋锁,在这个地方，它是用于阻塞同步器
+------+ prev +-----+ +-----+
head | | <---- | | <---- | | tail
+------+ +-----+ +-----+
好，下面我们关注一下 acquireQueued
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// 默认是 false
boolean interrupted = false;
// 进入阻塞循环遍历 线程队列
for (;;) {
// 返回前一个节点
final Node p = node.predecessor();
// 判断如果前一个节点是头部节点，并且拿到锁了，就会设置当前节点为头部节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
// 这里可以看到注释 help gc ,
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 检查并更新未能获取的节点的状态。如果线程应该阻塞，则返回 true 并且线程中断了
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
// 如果失败 取消正在尝试获取的节点
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
从上面的源码来看，在体会一下上面讲的非公平锁的概念，是不是更好理解一些,然后就是释放锁unlock,这个方法我们可以看到是ReentrantLock下的一个实例方法，所以公平锁的释放锁也是调的这个方法,其实最终可以猜到调用的还是sync的方法
public void unlock() {
sync.release(1);
}
Sync继承AQS,release是AQS的内部方法
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放锁 tryRelease 在Sync内部
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 如果节点存在 并且状态值不为0
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 唤醒下个节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 可以看到调用了 LockSupport来唤醒
LockSupport.unpark(s.thread);
}
我们再看下tryRelease, 同样这个实现在Sync内
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 同样释放锁的时候 依然使用 AQS计数
int c = getState() - releases;
// 判断当前线程是否是独占线程，不是抛出异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 如果是0 表示是释放成功
if (c == 0) {
free = true;
// 并且把独占线程设为null
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 更新状态值
setState(c);
return free;
}
FairSync
公平锁FairSync的区别在于,它的获取锁的实现在它的内部,Sync默认内部实现了非公平锁
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// 这个方法最终调用 tryAcquire
final void lock() {
acquire(1);
}
// 公平锁的实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 这边和非公平锁的实现有些相似 同样判断状态
if (c == 0) {
// 判断排队队列是否存在， 不存在并且比较期望值
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 设置独占线程 并返回成功
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 这边和上面类似
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}
它的实现比较简单，通过实现可以发现，它按照申请锁的顺序来获取锁，排第一的先拿到锁，在结合上面的概念理解一下，就很好理解了.
释放锁unlock，上面我们已经讲过了~
结束语
本节内容可能有点多，主要是看源码，可以打断点自己调一下, 举一反三,通过源码去理解一下什么是公平锁和非公平锁, ReentrantLock可重入锁体验在哪里。
