【Java并发编程】ReentrantLock重入锁解析
概述
重入锁ReentrantLock,顾名思义，就是支持重进入的锁，它表示能够支持一个线程对资源的重复加锁。除此之外，该锁还支持获取锁时的公平和非公平选择。Synchronized关键字通过获取自增、释放递减的方式来隐式的支持重入，那么Reentrant是如何支持重入的呢？又是怎么实现公平和非公平选择的呢？接下来我们带着这些问题来看ReentrantLock的源码
重进入的实现原理
重进入是指任意线程在获取到锁之后，能够再次获取该锁，而不会因为再次获取该锁被阻塞，该特性的实现主要需要解决的是一下两个问题：
- 线程再次获取锁。锁需要识别来尝试获取锁的线程，是不是当前占有锁的线程，如果是，那么获取成功，如果不是，那么获取失败。
- 锁的最终释放。线程重复n次获取了锁，随后在n次释放该锁后，其他线程能够正常获取到锁。锁最终能够正常释放，要求锁的获取进行自增计数，计数表示该锁被重复获取的次数，而锁被释放时，计数自减，当计数归零时，表示该锁已经成功释放。
ReentrantLock是通过组合自定义同步器来实现锁的获取和释放的，下面我们以默认的非公平锁源码来深入分析下实现原理，非公平锁获取锁的源码如下：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前同步状态
int c = getState();
//如果同步状态等于0，说明该锁未被任何线程占用
if (c == 0) {
//CAS方法修改同步状态
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//将当前线程赋值给exclusiveOwnerThread
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//否则，判断占有该锁的线程是不是当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//再次获取，状态值加上acquires
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
相信大家很容易看懂这段代码，该方法增加了重入锁再次获取同步状态的逻辑：判断占有锁的线程是否为当前线程来决定获取操作是否成功，如果是获取锁的线程再次请求，那么将同步状态值增加并返回true，来表示获取同步状态成功。成功获取锁的线程再次获取锁，只是增加了同步状态值，这也就要求ReentrantLock在释放同步状态的时候，减少同步状态的值，其对应的tryRelease()方法源码如下：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//同步状态递减
int c = getState() - releases;
//如果当前线程不是占有该锁的线程，那么抛出异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//如果递减后同步状态为0，那么将释放锁，返回true
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//如果状态不为0，那么返回false
setState(c);
return free;
}
从代码中我们可以看出，只有同步状态为0的时候，锁才会被完全释放。如果该锁被获取了n次，那么前（n-1）次tryRelease(int releases)方法必须返回false，只有最后一次才会返回true。
公平锁与非公平锁
ReentrantLock支持两种锁：公平锁与非公平锁，分别对应实现为FairSync和NonfairSync。公平性与否是针对获取锁而言的，如果一个锁是公平的，那么锁的获取顺序就应该符合请求的绝对时间顺序，也就是FIFO。 回顾上一小节中非公平锁获取的nonfairTryAcquire(int acquires)方法，只要CAS自旋获取同步状态成功，则表示当前线程获取了锁，不会要求FIFO，而公平锁则不然。ReentrantLock的构造方法为无参构造方法时，构造的就是非公平锁，源码为：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
而ReentrantLock还有另外一种构造方法，有参构造方法：
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
当传入参数为true时，创建公平锁；否则创建非公平锁。下面我们来看下公平锁的处理逻辑是怎么样的，核心方法如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果当前同步状态为0
if (c == 0) {
//判断同步队列中当前节点前面是否还有其余节点，如果没有，那么尝试获取同步状态，成功则返回true
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//否则，判断占有锁的线程是否为当前线程，如果是，那么同步状态加1，返回true。
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
//否则返回false
return false;
}
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
// The correctness of this depends on head being initialized
// before tail and on head.next being accurate if the current
// thread is first in queue.
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
//判断同步队列中，当前节点前面是否还有其余节点
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
从上面的源码中我们看到，nonfailSync中的tryAcquire方法，多调用了hasQueuedPredecessors()方法来判断同步队列中，当前节点前是否还有其余节点。如果有，则说明有线程比当前线程更早请求资源，根据公平性要求，当前节点获取资源失败；如果当前节点没有前驱节点，才会做后续操作。
公平锁和非公平锁可以总结出一下几点：
- 公平锁保证了锁的获取按照FIFO原则，每次获取到锁的都是同步队列的第一个节点，保证了请求资源时间上的绝对顺序；非公平锁，有可能刚刚释放锁的线程立马又获取到锁，而有的线程会一直获取不到锁，这也就可能造成“饥饿”现象。
- 公平锁为了保证请求资源上的绝对顺序，需要频繁的更换线程，切换上下文，而非公平锁则一定程度上降低了上下文的切换，降低了性能开销。所以ReentrantLock默认选择非公平锁，这样做是为了减少上下文切换，保证系统有更大的吞吐量。
注：本文参考《Java并发编程的艺术》
