ReentrantLock实现Android版源码剖析

作为一个可重入的独占锁，ReentrantLock与隐式监控锁synchronized有着相同的行为和语义，不过ReentrantLock有着更高的扩展性。

简介

ReentrantLock由上一次成功获取锁，但还没有释放锁的线程所拥有。如果锁没有被任何线程所拥有，那么此时有线程调用lock方法则会成功获取锁并返回。另外，如果当前获取锁的线程再次调用lock方法，该方法会马上返回。这个可以通过利用方法isHeldByCurrentThread，以及getHoldCount检查。

类的构造方法有一个可选的fairness参数。如果为true，则在竞争条件下，锁的获取会倾向于等待最长的线程。否则（设为false），则当前锁的获取不会有特殊的规律。实用公平锁可能在总体上会有更加低的吞吐量（也就是说更加慢，一般是慢很多），但对比其那些使用默认配置，公平锁对于不同线程获取锁的时间上会有更少差异，并且保证减少等待饥饿的出现。尽管如此，锁的公平性不保证线程调度的公平，因此，可能会出现一条或者数条线程为了成功获取公平锁会出现多次获取，与此同时，其它活动线程只能白白等待也没法获取锁。

另外注意的是，非超时版本的tryLock方法没有提供公平性调度。该方法会在其它线程等待的情况下也可以成功获取锁。

具体实现

ReentrantLock主要在内部定义了一个Sync类，重载类AbstractQueuedSynchronizer，主要处理一些关于可重入的逻辑，然后还定义类NonfairSync，以及类FairSync，分别对应于非公平以及公平策略的锁实现。ReentrantLock的主要public接口均是依靠这几个内部类的方法来实现。

获取锁和释放锁方法如下。

public void lock() {
sync.lock();
}

public void unlock() {
sync.release(1);
}

sync变量在构造的时候初始化

public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

我们主要集中剖析FairSync类和NonfairSync类的实现。

（1）NonfairSync类

该类实现如下。

static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}

这里首先说明一下，ReentrantLock的锁状态值

1.大于等于1（大于1表示单一线程重复获取锁）表示锁已经被获取；

2.0表示锁还没有被获取；

另外我们还要回想一下acquire方法，也就是调用AbstractQueuedSynchronizer的获取锁方法，会尝试获取锁，如果失败则会进入内部的FIFO等待队列，直到能够重新获取锁为止。

lock方法的实现，首先尝试通过CAS把状态从0变为1，如果成功，则设置当前线程为独占锁的线程；如果失败，则会调用acquire重新尝试竞争获取锁。这里会有一个CAS的原因是由于这是一个非公平锁的策略决定的。

关于非公平策略，可以假设这一种情况，如果一把锁已经有几个线程在等待队列里等候获取，如果这时候锁释放的时候，刚好此时出现没有进入等待队列的线程尝试获取锁，此时就会出现竞争，非公平策略对于这种情况是允许外来线程能够插队获取（immediate barge），如果CAS成功的话，便马上获取锁，等待队列里的线程便会重新进入等待状态，这样就做成一种不公平的情况。

同样道理，我们看看tryAcquire的实现，调用的是基类的nonfairTryAcquire方法，方法实现如下。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

就如名字一样nonfairTryAcquire，是一个非公平的tryAcquire版本实现，首先调用AQS的getState方法获取当前锁状态值，如果为0则调用CAS尝试更改状态值，如果成功则把当前线程设置为独占锁线程，并且返回true表示已经获取锁。如果锁状态不为0，则必须判断当前的线程是否当前被设置的独占锁线程，如果是，则表明这次是一个重入操作，重新把锁状态值加上请求值acquires，并且返回true。如果以上均失败，表示获取锁失败，需要把当前结点进入等待队列。

接下来来看看FairSync类的实现。

（2）FairSync类

所谓的公平策略，其实就是在之前说明的例子里，不允许外来线程能够插队获取锁，如果等待队列中有线程在等待获取锁，则所有外来线程必须要进入等待队列，这样就保证每次获取锁的必定是队列中第一个等待线程，避免了线程等待过长的时间。

static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

final void lock() {
acquire(1);
}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}

公平策略下的lock的实现很简单，只是调用acquire（1），去掉了之前的允许插队的CAS逻辑。然后再看看tryAcquire的实现。对比起非公平策略的版本，在获取锁的判断里增加了hasQueuedPredecessors的判断，该函数是AQS基类方法，判断当前等待队列里是否有前继结点在等待，如果有则返回true，如果没有则返回false，这样如果hasQueuedPredecessors返回false的时候，表明自己就是队列里第一个等待获取锁的线程，这样才可以顺利获取锁。

来看看hasQueuedPredecessors的实现。

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

函数返回true的话，表明在等待队列里有前继结点；返回false表示当前线程不在等待队列，或者等待队列为空，或者等待队列里有前继结点。函数实现很简单，只有几个判断。回想一下AQS的实现里等待队列的特征，就很容易理解这个函数实现。头结点不等于尾结点表明等待队列中至少有一个线程在等待，此时如果头结点的next为null，这是因为头结点已经出队列（可以看看acquireQueued的p.next=null），因此表明有前继结点要返回true，如果不为null，则继续判断后继结点的线程，如果不为当前线程，则也要返回true。

这样，tryAcquire里添加hasQueuedPredecessors来实现来公平策略。

（3）tryRelease实现

接下来看看释放锁的时候，sync类重载tryRelease的实现。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}

函数首先计算当前锁状态值与releases（目前实现必定为1）的差值c，然后如果当前线程不是已经获取锁的独占线程则要抛出IllegalMonitorStateException异常，如果差值c刚好为0，则表示要释放锁，同时把独占线程设为null，返回true表示锁已经被释放，如果c不为0，则表示要为之前重入的一次释放，因此重新设置新的锁状态值，然后返回false。实现主要是注意一下可重入的逻辑，没有其它特别要注意的地方。

总结

到此，ReentrantLock的解析就完成了。虽然还有其它一些方法来表示当前锁状态，有兴趣可以自行深入了解，这里不再赘述。ReentrantLock要注意的地方有两个，一个就是tryAcquire和tryRelease的实现里要注意可重入逻辑的判断；另外一个就是关于公平策略。其实对于公平锁来说，由于在竞争的条件下必须强制外来线程进入等待队列，由于线程调度是不可控的，因此会大大降低了吞吐量，也使得整个锁的性能降低，但公平锁可以避免某一线程由于需要等待锁要耗费过长的时间，而导致饥饿性，适用于某些场合，因此开发者必须要按照实际情况进行取舍，选择最适合的锁来达到需求。