java底層AQS實現(xiàn)類ReentrantLock鎖的構(gòu)成及源碼解析
引導(dǎo)語
本章的描述思路是先描述清楚 ReentrantLock 的構(gòu)成組件，然后使用加鎖和釋放鎖的方法把這些組件串起來。
1、類注釋
ReentrantLock 中文我們習慣叫做可重入互斥鎖，可重入的意思是同一個線程可以對同一個共享資源重復(fù)的加鎖或釋放鎖，互斥就是 AQS 中的排它鎖的意思，只允許一個線程獲得鎖。
我們來一起來看下類注釋上都有哪些重要信息：
- 可重入互斥鎖，和 synchronized 鎖具有同樣的功能語義，但更有擴展性；
- 構(gòu)造器接受 fairness 的參數(shù)，fairness 是 ture 時，保證獲得鎖時的順序，false 不保證；
- 公平鎖的吞吐量較低，獲得鎖的公平性不能代表線程調(diào)度的公平性；
- tryLock() 無參方法沒有遵循公平性，是非公平的（lock 和 unlock 都有公平和非公平，而 tryLock 只有公平鎖，所以單獨拿出來說一說）。
我們補充一下第二點，ReentrantLock 的公平和非公平，是針對獲得鎖來說的，如果是公平的，可以保證同步隊列中的線程從頭到尾的順序依次獲得鎖，非公平的就無法保證，在釋放鎖的過程中，我們是沒有公平和非公平的說法的。
2、類結(jié)構(gòu)
ReentrantLock 類本身是不繼承 AQS 的，實現(xiàn)了 Lock 接口，如下：
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {}
Lock 接口定義了各種加鎖，釋放鎖的方法，接口有如下幾個：
// 獲得鎖方法，獲取不到鎖的線程會到同步隊列中阻塞排隊 void lock(); // 獲取可中斷的鎖 void lockInterruptibly() throws InterruptedException; // 嘗試獲得鎖，如果鎖空閑，立馬返回 true，否則返回 false boolean tryLock(); // 帶有超時等待時間的鎖，如果超時時間到了，仍然沒有獲得鎖，返回 false boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 釋放鎖 void unlock(); // 得到新的 Condition Condition newCondition();
ReentrantLock 就負責實現(xiàn)這些接口，我們使用時，直接面對的也是這些方法，這些方法的底層實現(xiàn)都是交給 Sync 內(nèi)部類去實現(xiàn)的，Sync 類的定義如下：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
Sync 繼承了 AbstractQueuedSynchronizer ，所以 Sync 就具有了鎖的框架，根據(jù) AQS 的框架，Sync 只需要實現(xiàn) AQS 預(yù)留的幾個方法即可，但 Sync 也只是實現(xiàn)了部分方法，還有一些交給子類 NonfairSync 和 FairSync 去實現(xiàn)了，NonfairSync 是非公平鎖，F(xiàn)airSync 是公平鎖，定義如下：
// 同步器 Sync 的兩個子類鎖
static final class FairSync extends Sync {}
static final class NonfairSync extends Sync {}幾個類整體的結(jié)構(gòu)如下：
圖中 Sync、NonfairSync、FairSync 都是靜態(tài)內(nèi)部類的方式實現(xiàn)的，這個也符合 AQS 框架定義的實現(xiàn)標準。
3、構(gòu)造器
ReentrantLock 構(gòu)造器有兩種，代碼如下：
// 無參數(shù)構(gòu)造器，相當于 ReentrantLock(false)，默認是非公平的
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}無參構(gòu)造器默認構(gòu)造是非公平的鎖，有參構(gòu)造器可以選擇。
從構(gòu)造器中可以看出，公平鎖是依靠 FairSync 實現(xiàn)的，非公平鎖是依靠 NonfairSync 實現(xiàn)的。
4、Sync 同步器
Sync 表示同步器，繼承了 AQS，UML 圖如下：
從 UML 圖中可以看出，lock 方法是個抽象方法，留給 FairSync 和 NonfairSync 兩個子類去實現(xiàn)，我們一起來看下剩余重要的幾個方法。
4.1、nonfairTryAcquire
// 嘗試獲得非公平鎖
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 同步器的狀態(tài)是 0，表示同步器的鎖沒有人持有
if (c == 0) {
// 當前線程持有鎖
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
// 標記當前持有鎖的線程是誰
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 如果當前線程已經(jīng)持有鎖了，同一個線程可以對同一個資源重復(fù)加鎖，代碼實現(xiàn)的是可重入鎖
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 當前線程持有鎖的數(shù)量 + acquires
int nextc = c + acquires;
// int 是有最大值的，<0 表示持有鎖的數(shù)量超過了 int 的最大值
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
//否則線程進入同步隊列
return false;
}以上代碼有三點需要注意：
通過判斷 AQS 的 state 的狀態(tài)來決定是否可以獲得鎖，0 表示鎖是空閑的；else if 的代碼體現(xiàn)了可重入加鎖，同一個線程對共享資源重入加鎖，底層實現(xiàn)就是把 state + 1，并且可重入的次數(shù)是有限制的，為 Integer 的最大值；這個方法是非公平的，所以只有非公平鎖才會用到，公平鎖是另外的實現(xiàn)。
無參的 tryLock 方法調(diào)用的就是此方法，tryLock 的方法源碼如下：
public boolean tryLock() {
// 入?yún)?shù)是 1 表示嘗試獲得一次鎖
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}4.2、tryRelease
// 釋放鎖方法，非公平和公平鎖都使用
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 當前同步器的狀態(tài)減去釋放的個數(shù)，releases 一般為 1
int c = getState() - releases;
// 當前線程根本都不持有鎖，報錯
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 如果 c 為 0，表示當前線程持有的鎖都釋放了
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 如果 c 不為 0，那么就是可重入鎖，并且鎖沒有釋放完，用 state 減去 releases 即可，無需做其他操作
setState(c);
return free;
}tryRelease 方法是公平鎖和非公平鎖都公用的，在鎖釋放的時候，是沒有公平和非公平的說法的。
從代碼中可以看到，鎖最終被釋放的標椎是 state 的狀態(tài)為 0，在重入加鎖的情況下，需要重入解鎖相應(yīng)的次數(shù)后，才能最終把鎖釋放，比如線程 A 對共享資源 B 重入加鎖 5 次，那么釋放鎖的話，也需要釋放 5 次之后，才算真正的釋放該共享資源了。
5、FairSync 公平鎖
FairSync 公平鎖只實現(xiàn)了 lock 和 tryAcquire 兩個方法，lock 方法非常簡單，如下：
// acquire 是 AQS 的方法，表示先嘗試獲得鎖，失敗之后進入同步隊列阻塞等待
final void lock() {
acquire(1);
}tryAcquire 方法是 AQS 在 acquire 方法中留給子類實現(xiàn)的抽象方法，F(xiàn)airSync 中實現(xiàn)的源碼如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// hasQueuedPredecessors 是實現(xiàn)公平的關(guān)鍵
// 會判斷當前線程是不是屬于同步隊列的頭節(jié)點的下一個節(jié)點(頭節(jié)點是釋放鎖的節(jié)點)
// 如果是(返回false)，符合先進先出的原則，可以獲得鎖
// 如果不是(返回true)，則繼續(xù)等待
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 可重入鎖
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}代碼和 Sync 的 nonfairTryAcquire 方法實現(xiàn)類似，唯一不同的是在獲得鎖時使用 hasQueuedPredecessors 方法體現(xiàn)了其公平性。
6、NonfairSync 非公平鎖
NonfairSync 底層實現(xiàn)了 lock 和 tryAcquire 兩個方法，如下:
// 加鎖
final void lock() {
// cas 給 state 賦值
if (compareAndSetState(0, 1))
// cas 賦值成功，代表拿到當前鎖，記錄拿到鎖的線程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
// acquire 是抽象類AQS的方法,
// 會再次嘗試獲得鎖，失敗會進入到同步隊列中
acquire(1);
}
// 直接使用的是 Sync.nonfairTryAcquire 方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}7、如何串起來
以上內(nèi)容主要說了 ReentrantLock 的基本結(jié)構(gòu)，比較零散，那么這些零散的結(jié)構(gòu)如何串聯(lián)起來呢？我們是通過 lock、tryLock、unlock 這三個 API 將以上幾個類串聯(lián)起來，我們來一一看下。
7.1 lock 加鎖
lock 的代碼實現(xiàn)：
public void lock() {
sync.lock();
}其底層的調(diào)用關(guān)系(只是簡單表明調(diào)用關(guān)系，并不是完整分支圖)如下：
7.2 tryLock 嘗試加鎖
tryLock 有兩個方法，一種是無參的，一種提供了超時時間的入?yún)?，兩種內(nèi)部是不同的實現(xiàn)機制，代碼分別如下:
// 無參構(gòu)造器
public boolean tryLock() {
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
// timeout 為超時的時間，在時間內(nèi)，仍沒有得到鎖，會返回 false
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}接著我們一起看下兩個 tryLock 的調(diào)用關(guān)系圖，下圖顯示的是無參 tryLock 的調(diào)用關(guān)系圖，如下：
我們需要注意的是 tryLock 無參方法底層走的就是非公平鎖實現(xiàn)，沒有公平鎖的實現(xiàn)。
下圖展示的是帶有超時時間的有參 tryLock 的調(diào)用實現(xiàn)圖：
7.3 unlock 釋放鎖
unlock 釋放鎖的方法，底層調(diào)用的是 Sync 同步器的 release 方法，release 是 AQS 的方法，分成兩步：
嘗試釋放鎖，如果釋放失敗，直接返回 false；釋放成功，從同步隊列的頭節(jié)點的下一個節(jié)點開始喚醒，讓其去競爭鎖。
第一步就是我們上文中 Sync 的 tryRelease 方法（4.1），第二步 AQS 已經(jīng)實現(xiàn)了。
unLock 的源碼如下：
// 釋放鎖
public void unlock() {
sync.release(1);
}7.4 Condition
ReentrantLock 對 Condition 并沒有改造，直接使用 AQS 的 ConditionObject 即可。
8、總結(jié)
這就是我們在研究完 AQS 源碼之后，碰到的第一個鎖，是不是感覺很簡單，AQS 搭建了整個鎖架構(gòu)，子類鎖只需要根據(jù)場景，實現(xiàn) AQS 對應(yīng)的方法即可，不僅僅是 ReentrantLock 是這樣，JUC 中的其它鎖也都是這樣，只要對 AQS 了如指掌，鎖其實非常簡單。
以上就是java底層AQS實現(xiàn)類kReentrantLock鎖的構(gòu)成及源碼解析的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于AQS實現(xiàn)類ReentrantLock鎖的構(gòu)成的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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