Java源碼解析之詳解ReentrantLock
ReentrantLock
ReentrantLock是一種可重入的互斥鎖，它的行為和作用與關(guān)鍵字synchronized有些類似，在并發(fā)場景下可以讓多個線程按照一定的順序訪問同一資源。相比synchronized，ReentrantLock多了可擴展的能力，比如我們可以創(chuàng)建一個名為MyReentrantLock的類繼承ReentrantLock，并重寫部分方法使其更加高效。
當(dāng)一個線程調(diào)用ReentrantLock.lock()方法時，如果ReentrantLock沒有被其他線程持有，且不存在額外的線程與當(dāng)前線程競爭ReentrantLock，調(diào)用ReentrantLock.lock()方法后當(dāng)前線程會占有此鎖并立即返回，ReentrantLock內(nèi)部會維護當(dāng)前線程對鎖的引用計數(shù)，當(dāng)線程獲取鎖時會增加其線程對鎖的引用計數(shù)，當(dāng)線程釋放鎖時會減少線程對鎖的引用計數(shù)，當(dāng)前線程如果在占有鎖之后，又重復(fù)獲取鎖，則會增加鎖的引用計數(shù)，當(dāng)鎖的引用計數(shù)為0的時候，代表當(dāng)前線程完全釋放鎖。需要注意的是，只有占有鎖的線程才會增加鎖的引用計數(shù)，當(dāng)鎖被占據(jù)時，如果有其他線程要競爭鎖，ReentrantLock會把其他線程加入一個競爭鎖的隊列，并讓線程陷入阻塞，直到占據(jù)鎖的線程釋放了鎖，ReentrantLock才會喚醒隊列中的線程重新競爭鎖。
我們用下面的例子來加深對于鎖的理解，假設(shè)我們的進(jìn)程內(nèi)目前沒有任何線程競爭lock，此時鎖的引用計數(shù)為0，有一個線程Thread-1調(diào)用完下面<1>處的lock()方法成功占有鎖，此時鎖的引用計數(shù)由0變?yōu)?。之后Thread-1調(diào)用了<2>處的methodB()方法，methodB()的<4>處又獲取了一次鎖，由于lock已經(jīng)被Thread-1占據(jù)，所以這里簡單的對鎖的引用計數(shù)+1即可，此時鎖的引用計數(shù)為2，Thread-1執(zhí)行完methodB()的方法體后，執(zhí)行<5>處的unlock()方法釋放鎖，這里對鎖的引用計數(shù)-1，由2變?yōu)?。在調(diào)用完methodB后，執(zhí)行methodA的方法體，最后執(zhí)行<3>處的unlock()方法，將鎖的引用計數(shù)由1變?yōu)?，Thread-1完全釋放鎖。此時，鎖變?yōu)闊o主狀態(tài)。
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void methodA() {
try {
lock.lock();//<1>
methodB();//<2>
//methodA body...
} finally {
lock.unlock();//<3>
}
}
public void methodB() {
try {
lock.lock();//<4>
//methodB body...
} finally {
lock.unlock();//<5>
}
}
ReentrantLock提供了isHeldByCurrentThread()和getHoldCount()兩個方法，前者用于判斷鎖是否被當(dāng)先調(diào)用線程持有，如果被當(dāng)前調(diào)用線程持有則返回true；后者不僅會判斷鎖是否被當(dāng)前線程持有，還會返回鎖相對于當(dāng)前線程的引用計數(shù)，畢竟鎖是可重入的，如果鎖沒有被任何線程持有，或者被不是持有鎖的線程調(diào)用getHoldCount()方法，就會返回0。
這兩個方法的實現(xiàn)原理也很簡單，我們知道在Java中可以調(diào)用Thread.currentThread()來獲取當(dāng)前線程對象。當(dāng)我們調(diào)用ReentrantLock.lock()方法成功獲取鎖之后，ReentrantLock內(nèi)部會用一個獨占線程（exclusiveOwnerThread）字段來標(biāo)識當(dāng)前占用鎖的Thread線程對象，如果線程釋放了鎖且鎖的引用計數(shù)為0，則將獨占線程字段標(biāo)記為null。當(dāng)要判斷鎖是否被當(dāng)前線程持有，或者鎖相對于當(dāng)前線程的引用計數(shù)，則獲取調(diào)用方線程的Thread對象，和內(nèi)部的獨占線程字段做下對比，如果兩者的引用相等，代表當(dāng)前線程占用了鎖，如果引用不相等，則表示當(dāng)前所可能處于無主狀態(tài)，或者鎖被其他線程持有。
如下面的代碼，我們希望只有持有l(wèi)ock的線程才可以執(zhí)行methodB()和methodC()方法，就可以用isHeldByCurrentThread()和getHoldCount()進(jìn)行判斷。
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void methodA() {
try {
lock.lock();
methodB();
methodC();
//methodA body...
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void methodB() {
if (lock.getHoldCount() != 0) {
//methodB body...
}
}
public void methodC() {
if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
//methodC body...
}
}
需要注意的一點是，官方有給出isHeldByCurrentThread()和getHoldCount()兩個方法的使用范圍，僅針對于debug和測試。真正的生產(chǎn)環(huán)境如果有重入鎖的需要，官方還是推薦用try{}finally{}這一套，在try代碼塊里獲取鎖，在finally塊中釋放鎖。
創(chuàng)建ReentrantLock對象時，如果使用的是無參構(gòu)造方法，則默認(rèn)創(chuàng)建非公平鎖（NonfairSync），如果調(diào)用的是ReentrantLock(boolean fair)有參構(gòu)造方法，fair為true則創(chuàng)建公平鎖（FairSync）。
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
//...
//默認(rèn)創(chuàng)建非公平鎖
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
//根據(jù)參數(shù)指定創(chuàng)建公平鎖或非公平鎖，true為公平鎖。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
//...
}
之前說過，當(dāng)有多個線程競爭鎖時，獲取鎖失敗的線程，會形成一個隊列。如果有多個線程競爭公平鎖時，會優(yōu)先把鎖分配給等待鎖時間最長的線程，即隊頭的線程，隊列中越往后的線程等待鎖的時間越短，排在隊尾的線程等待時間最短。如果使用的是非公平鎖，則不保證會按照等待時長順序?qū)㈡i分配。在多線程的場景下，公平鎖在吞吐量方面的表現(xiàn)不如非公平鎖，但兩者在獲得鎖和保證不饑餓的差異并不大。
需要注意的是，公平鎖不能保證線程調(diào)度的公平性，競爭公平鎖的多個線程中，可能會出現(xiàn)一個線程連續(xù)多次獲得鎖的情況。比如：Thread-1、Thread-2都要競爭同一個鎖（lock），但此時鎖已經(jīng)被其他線程占據(jù)，Thread-1、Thread-2競爭失敗，預(yù)備進(jìn)入等待隊列，這時Thread-1、Thread-2的CPU時間片消耗完畢被掛起，而其他線程剛好釋放鎖將鎖變?yōu)闊o主狀態(tài)，此時Thread-3搶鎖成功，并調(diào)用下面的doThread3()方法，連續(xù)10次獲取鎖并釋放鎖將鎖變?yōu)闊o主狀態(tài)。這種情況，就是上面說的公平鎖無法保證線程調(diào)度的公平性，按照順序，Thread-3在Thread-1、Thread-2競爭失敗后才開始競爭，按理鎖的分配順序應(yīng)該是Thread-1->Thread-2->Thread-3，但由于線程的調(diào)度問題，Thread-1、Thread-2尚未入隊，而鎖被釋放后剛好被Thread-3“撿漏”
public void methodA() {
try {
lock.lock();
//methodA body...
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void doThread3() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
methodA();
}
}
除了調(diào)用ReentrantLock.lock()以阻塞的方式直到獲取鎖，ReentrantLock還提供了tryLock()和tryLock(long timeout, TimeUnit unit)兩個方法來搶鎖。我們看下面的代碼，相信很多同學(xué)看到這兩個方法后也能知道這兩個方法和lock()方法的區(qū)別，tryLock()會嘗試競爭鎖，如果鎖已被其他線程占用，則競爭失敗，返回false，如果競爭成功，則返回true。tryLock(long timeout, TimeUnit unit)如果競爭鎖失敗后，會先進(jìn)入等待隊列，如果在過期前能競爭到鎖，則返回true，如果在過期時間內(nèi)都無法搶到鎖，則返回false。
public void methodD() {
boolean hasLock = false;
try {
hasLock = lock.tryLock();//<1>非計時
if (!hasLock) {//沒有搶到鎖則退出
return;
}
//methodD body...
} finally {
if (hasLock) {
lock.unlock();
}
}
}
public void methodE() {
boolean hasLock = false;
try {
hasLock = lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS);//<2>計時
if (!hasLock) {//沒有搶到鎖則退出
return;
}
//methodE body...
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (hasLock) {
lock.unlock();
}
}
}
需要注意的是：不管是公平鎖還是非公平鎖，不計時tryLock()都不能保證公平性，如果鎖可用，即時其他線程正在等待鎖，也會搶鎖成功。
ReentrantLock內(nèi)部會用一個int字段來標(biāo)識鎖的引用次數(shù)，因此，ReentrantLock雖然作為可重入鎖，但它的最大可重入次數(shù)為2147483647（即：MaxInt32，2^31-1），不管我們是以遞歸或者是循環(huán)亦或者其他方式，一旦我們重復(fù)獲取鎖的次數(shù)超過這個次數(shù)，ReentrantLock就會拋出異常。
至此，我們了解了ReentrantLock的簡單應(yīng)用。下面，就請大家一起跟隨筆者了解ReentrantLock的實現(xiàn)原理。下面的代碼是筆者從ReentrantLock節(jié)選的部分代碼，可以看到先前我們調(diào)用加鎖（lock、lockInterruptibly、tryLock）、解鎖（unlock）的代碼，最后都會調(diào)用sync對象的方法，sync對象的類型是一個抽象類，在我們創(chuàng)建ReentrantLock對象時，會根據(jù)構(gòu)造函數(shù)決定sync是公平鎖（FairSync），還是非公平鎖（NonfairSync），F(xiàn)airSync和NonfairSync都繼承自Sync，所以ReentrantLock在創(chuàng)建好具體的Sync對象后，便不再管關(guān)心公平鎖的邏輯或者是非公平鎖的邏輯，ReentrantLock只知道抽象類Sync實現(xiàn)了它所需要的功能，這個功能是公平亦或是非公平，由具體的實現(xiàn)子類來關(guān)心。
public void methodD() {
boolean hasLock = false;
try {
hasLock = lock.tryLock();//<1>非計時
if (!hasLock) {//沒有搶到鎖則退出
return;
}
//methodD body...
} finally {
if (hasLock) {
lock.unlock();
}
}
}
public void methodE() {
boolean hasLock = false;
try {
hasLock = lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS);//<2>計時
if (!hasLock) {//沒有搶到鎖則退出
return;
}
//methodE body...
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (hasLock) {
lock.unlock();
}
}
}
鑒于ReentrantLock的無參構(gòu)造函數(shù)是創(chuàng)建一個非公平鎖，可見官方更傾向于我們使用非公平鎖，這里，我們就先從非公平鎖開始介紹。
當(dāng)ReentrantLock為非公平鎖時，調(diào)用lock()方法會直接調(diào)用sync.acquire(1)，NonfairSync和Sync兩個類都沒有實現(xiàn)acquire(int arg)，這個方法是由AbstractQueuedSynchronizer（抽象隊列同步器，下面簡稱：AQS）實現(xiàn)的，也就是Sync的父類。
當(dāng)線程競爭鎖時，會先調(diào)用tryAcquire(arg)方法試圖占有鎖，AQS將tryAcquire(int arg)的實現(xiàn)交由子類，由子類決定是以公平還是非公平的方式占有鎖，如果競爭成功tryAcquire(arg)則返回true，!tryAcquire(arg)的結(jié)果為false，于是就不會再調(diào)用<1>處后續(xù)的判斷，直接返回。如果占有鎖失敗，這里會先調(diào)用addWaiter(Node mode)方法，將當(dāng)前調(diào)用線程封裝成一個Node對象，再調(diào)用acquireQueued(final Node node, int arg)將Node對象加入到等待隊列中，并使線程陷入阻塞。
//java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#acquire
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//<1>
selfInterrupt();
}
//AbstractQueuedSynchronizer將tryAcquire(int arg)的實現(xiàn)交由子類
//java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#tryAcquire
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
我們先來看NonfairSync實現(xiàn)的tryAcquire(int acquires)方法，這里NonfairSync也是調(diào)用其父類Sync的nonfairTryAcquire(int acquires)方法。在AQS內(nèi)部會維護一個volatile int state，可重入互斥鎖會用這個字段存儲占有鎖的線程對鎖的引用計數(shù)，即重復(fù)獲取鎖的次數(shù)。如果state為0，代表鎖目前沒有被任何線程占有，這里會用CAS的方式設(shè)置鎖的引用計數(shù)，如果設(shè)置成功，則執(zhí)行<2>處的代碼將獨占線程（exclusiveOwnerThread）的引用指向當(dāng)前調(diào)用線程，然后返回true表示加鎖成功。
如果當(dāng)前state不為0，代表有線程正獨占此鎖，會在<3>處判斷當(dāng)前線程是否是獨占線程，如果是的話則在<4>處增加鎖的引用計數(shù)，這里同樣是修改state的值，但不需要像<1>處那樣用CAS的方式，因為<4>處的代碼只有獨占線程才可以執(zhí)行，其他線程都無法執(zhí)行。需要注意的一點是，state為int類型，最大值為：2^31-1，如果超過這個值state就會變?yōu)樨?fù)數(shù)，就會報錯。如果一個線程在競爭鎖的時候，發(fā)現(xiàn)state不為0，且當(dāng)前線程不是獨占線程，則會返回false，表示搶鎖失敗。
//當(dāng)調(diào)用AQS的acquire(int arg)時，會先調(diào)用由子類實現(xiàn)的tryAcquire(int acquires)方法
//java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync#tryAcquire
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//這里會調(diào)用父類Sync的nonfairTryAcquire(int acquires)方法
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
//java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync#nonfairTryAcquire
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//獲取當(dāng)前線程對象
final Thread current = Thread.currentThread();
//這里會獲取父類AQS的state字段，在可重入互斥鎖里，state表示占有鎖的線程的引用計數(shù)
int c = getState();
//如果state為0，表示目前鎖是無主狀態(tài)
if (c == 0) {
//如果鎖處于無主狀態(tài)，則用CAS修改state，如果修改成功，表示占有鎖成功
if (compareAndSetState(0, acquires)) {//<1>
//占有鎖成功后，這里會設(shè)置鎖的獨占線程
setExclusiveOwnerThread(current);//<2>
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//<3>如果state不為0，代表現(xiàn)在有線程占據(jù)鎖，如果請求鎖的線程和獨占線程是同一個線程，則增加當(dāng)前線程對鎖的引用計數(shù)
//鎖的最大可重入次數(shù)為(2^31-1)，超過這個最大范圍，int就會變?yōu)樨?fù)數(shù)，判斷nextc為負(fù)數(shù)時報錯。
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//重新設(shè)置state的值
setState(nextc);//<4>
return true;
}
return false;
}
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
//...
//在可重入互斥鎖中，state代表獨占線程當(dāng)前的重入次數(shù)
private volatile int state;
protected final int getState() {
return state;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//...
}
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
//...
//獨占線程，當(dāng)有線程占據(jù)可重入互斥鎖時，會用此字段存儲占有鎖的線程
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
}
按照AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)的邏輯，如果搶鎖失敗，會繼而執(zhí)行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)這段代碼。這里我們需要先來了解下Node的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Node類是AQS的一個靜態(tài)內(nèi)部類。如果眼尖的同學(xué)看到下面的prev和next，一定能很快猜出這就是我們先前所說的等待隊列，等待隊列實質(zhì)上是一個雙端鏈表，即每個節(jié)點都可以知道自己的前驅(qū)，也可以知道自己的后繼。
//java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.Node
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;
static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
//...
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
//...
//返回當(dāng)前節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點
final Node predecessor() {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node() {}
//...
//創(chuàng)建Node節(jié)點
Node(Node nextWaiter) {//<1>
this.nextWaiter = nextWaiter;
THREAD.set(this, Thread.currentThread());
}
}
這里簡單介紹下Node的字段：
- prev指向當(dāng)前節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點，next指向當(dāng)前節(jié)點的后繼節(jié)點。
- thread字段在調(diào)用<1>處的構(gòu)造方法時，會將thread指向當(dāng)前調(diào)用線程的Thread對象。
- waitStatus（等待狀態(tài)）初始值為0，當(dāng)waitStatus為SIGNAL（-1）時，表示當(dāng)前節(jié)點的后繼節(jié)點所指向的線程（node.next.thread）陷入阻塞，當(dāng)前節(jié)點如果被移除（CANCELLED）或在占有鎖后要釋放鎖的時候，需要喚醒后繼節(jié)點的線程。這里有多種可能導(dǎo)致當(dāng)前節(jié)點的等待狀態(tài)變?yōu)橐瞥?，比如調(diào)用tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 超時會獲取到鎖，或者調(diào)用lockInterruptibly()后線程被中斷。
- nextWaiter可以用來表示一個節(jié)點的線程到底是獨占線程（EXCLUSIVE）還是共享線程（SHARED），獨占線程一般用于可重入互斥鎖（ReentrantLock）或者可重入讀寫鎖（ReentrantReadWriteLock）的寫鎖，而共享線程則表示當(dāng)前線程是可以和其他共享線程一起共享資源的，一般用于可重入讀寫鎖的讀鎖。
如果對上面Node字段還有不理解的地方不用心急，筆者在后面還會和大家一起深入了解這幾個字段。
在簡單了解了Node的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，我們來看看AQS是如何將一個線程封裝成一個Node對象，并將其加入到等待隊列。addWaiter(Node mode)會根據(jù)傳入的參數(shù)node，決定創(chuàng)建的節(jié)點是獨占節(jié)點還是共享節(jié)點，先前ReentrantLock傳入的是Node.EXCLUSIVE，所以這里是獨占節(jié)點，在執(zhí)行完<1>處的代碼后，節(jié)點創(chuàng)建完畢，節(jié)點的thread字段也保存了當(dāng)前線程對象的引用。之后會進(jìn)入<2>處的循環(huán)，這里是通過CAS自旋的方式將節(jié)點加入到等待隊列，之所以用這種方式是因為可能存在多個線程同時要入隊的情況，用CAS自旋保證每個節(jié)點的前驅(qū)和后繼的有序性。當(dāng)節(jié)點要入隊時，會先獲取尾節(jié)點，如果在<3>處判斷尾節(jié)點不為null，則將當(dāng)前節(jié)點的前驅(qū)指向尾節(jié)點，并用CAS的方式設(shè)置當(dāng)前節(jié)點為設(shè)置為尾節(jié)點，如果原先的尾節(jié)點（oldTail）的指向沒有被任何線程修改，這里用CAS將當(dāng)前節(jié)點設(shè)置成尾節(jié)點就會成功，于是原先尾節(jié)點的后繼指向當(dāng)前節(jié)點，當(dāng)前節(jié)點入隊成功。但我們也要考慮尾節(jié)點為null的情況，即第一個進(jìn)入等待隊列的節(jié)點，此時頭節(jié)點（header）和尾節(jié)點（tail）都為null，這里就會執(zhí)行<4>處的分支，進(jìn)行隊列初始化。初始化隊列的時候，同樣存在并發(fā)問題，所以這里依舊用CAS初始化頭節(jié)點成功，再將頭節(jié)點指向的Node對象賦值給尾節(jié)點。初始化隊列完畢后，會再開始新的一輪循環(huán)，用CAS的方式嘗試將節(jié)點入隊，入隊成功后，則返回當(dāng)前節(jié)點。
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
//...
private transient volatile Node head;//等待隊列的頭節(jié)點
private transient volatile Node tail;//等待隊列的尾節(jié)點
//...
private Node addWaiter(Node mode) {
//為競爭鎖的線程創(chuàng)建一個Node對象，并用Node.thread字段存儲調(diào)用線程Thread對象
Node node = new Node(mode);//<1>
for (;;) {//<2>
Node oldTail = tail;
if (oldTail != null) {//<3>
node.setPrevRelaxed(oldTail);
if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {
oldTail.next = node;
return node;
}
} else {//<4>
initializeSyncQueue();
}
}
}
private final void initializeSyncQueue() {
Node h;
if (HEAD.compareAndSet(this, null, (h = new Node())))
tail = h;
}
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
return TAIL.compareAndSet(this, expect, update);
}
//...
}
在執(zhí)行完addWaiter(Node.EXCLUSIVE)確定節(jié)點入隊后，就要將返回節(jié)點傳入到方法：acquireQueued(final Node node, int arg)。之前我們說過，搶鎖失敗的節(jié)點會進(jìn)入一個等待隊列，等待鎖的分配，我們已經(jīng)在addWaiter(Node mode)看到線程是如何入隊的，那接下來就要看看線程是如何等待鎖的分配。在看acquireQueued(final Node node, int arg)之前，我們先來思考下如果是我們自己會如何設(shè)計將鎖分配給線程？最簡單的做法是每個線程都在一個死循環(huán)中去輪詢鎖的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)鎖處于無主狀態(tài)并搶鎖成功，線程則跳出循環(huán)訪問資源。但這個做法有個缺點就是會消耗CPU時間片，尤其對于一些優(yōu)先級不高的線程，相比于優(yōu)先級高的線程它們可能永遠(yuǎn)無法競爭到鎖，永遠(yuǎn)訪問不到資源處于饑餓狀態(tài)。那么有沒有相比死循環(huán)更好的做法呢？我們是否可以先把一個入隊的線程阻塞起來，先讓它不要消耗寶貴的CPU時間片，當(dāng)占據(jù)鎖的線程完全釋放鎖（state變?yōu)?）時，則去喚醒隊列中等待時長最長的線程，這樣也不用擔(dān)心優(yōu)先級低的線程無法與優(yōu)先級高的線程競爭鎖，導(dǎo)致處于饑餓狀態(tài)，一舉兩得。
這里我們還要再加深下對等待隊列Node的理解才能往下看acquireQueued(final Node node, int arg)，大家思考下，Node中的thread字段是用來指向競爭鎖的線程對象，通過這個對象，我們可以用釋放鎖的線程喚醒等待鎖的線程，占用鎖的線程在完全釋放鎖將鎖變?yōu)闊o主狀態(tài)后，喚醒等待鎖的線程，這個等待鎖的線程如果成功占據(jù)了鎖，是否可以將本身線程中Node.thread置為null？此刻線程已經(jīng)占據(jù)了鎖，它不會再陷入阻塞，也不需要有其他的線程來喚醒自身。所以等待隊列的頭節(jié)點的thread(header.thread)字段永遠(yuǎn)為null，因為鎖被頭節(jié)點的線程所占用。
當(dāng)然，也可能出現(xiàn)鎖被占用但頭節(jié)點(header)本身就為null，這種情況一般出現(xiàn)在我們初始化好一個ReentrantLock后，只有一個線程占有了鎖，此時調(diào)用tryAcquire(int acquires)會調(diào)用ReentrantLock.Sync.nonfairTryAcquire(int acquires)方法，這個方法只會簡單修改state狀態(tài)，并不會新增一個頭節(jié)點。除非鎖已有線程占據(jù)，且出現(xiàn)新的線程競爭鎖，這時候新的線程在進(jìn)入等待隊列的時候，會初始化隊列，為本身占據(jù)鎖的線程補上一個頭節(jié)點，初始化隊列的時候調(diào)用的是Node的無參構(gòu)造方法，所以頭節(jié)點的thread字段為null，表示鎖被當(dāng)前頭節(jié)點原先指向的線程所占據(jù)。
在了解這些基本知識后，下面我們終于可以來看看大家迫不及待的acquireQueued(final Node node, int arg)了。當(dāng)把封裝了當(dāng)前線程的Node對象傳入到acquireQueued(final Node node, int arg)方法時，并不會立即阻塞當(dāng)前線程等待其他線程喚醒。這里會先在<1>處獲取當(dāng)前節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點p，判斷p是不是頭節(jié)點，如果p是頭節(jié)點，則當(dāng)前線程即有占有鎖的可能。因為占據(jù)鎖的線程會先釋放鎖，再通知隊列中的線程搶鎖。所以會存在當(dāng)前節(jié)點入隊前鎖已被釋放的情況，于是判斷前驅(qū)節(jié)點p是頭節(jié)點，會再調(diào)用tryAcquire(int acquires)方法搶鎖，如果搶鎖成功，就可以按照我們上面所說的套路，調(diào)用setHead(Node node)將當(dāng)前節(jié)點設(shè)置為頭節(jié)點，設(shè)置當(dāng)前節(jié)點的線程引用為null，然后返回。
如果當(dāng)前節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點不是頭節(jié)點，這里就要調(diào)用shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)設(shè)置前驅(qū)節(jié)點的等待狀態(tài)（waitStatus），先前說過，這個等待狀態(tài)可以用來表示下個節(jié)點的阻塞狀態(tài)。假設(shè)有一個鎖已經(jīng)被其他線程占有，Thread-1、Thread-2要來搶鎖，此時必然是搶鎖失敗的，這里會把Thread-1、Thread-2分別封裝成Node1和Node2并進(jìn)行入隊，Node1和Node2初始的等待狀態(tài)都為0，假定Node1先Node2入隊，Node1為Node2的前驅(qū)節(jié)點（即：Node2.prev=Node1），Node1不是頭節(jié)點，所以不會去搶鎖，這里直接進(jìn)入<2>處分支的shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)方法，Node1的初始等待狀態(tài)為0，所以<3>處和<5>處的分支是進(jìn)不去的，只能進(jìn)入<4>處的分支，將Node1的等待狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL，表示Node1的后繼節(jié)點處于等待喚醒狀態(tài)，然后返回false，于是<2>處的判斷不成立，又開始新的一輪循環(huán)，假定頭節(jié)點的線程依舊沒釋放鎖，Node1依舊不是頭節(jié)點，還是直接執(zhí)行shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)方法，此時判斷Node2的前驅(qū)節(jié)點Node1的等待狀態(tài)為-1，表示可以阻塞Node1后繼節(jié)點Node2所指向的線程，所以這里會返回true，進(jìn)入<2>處的分支，調(diào)用parkAndCheckInterrupt()方法，在這個方法中會調(diào)用LockSupport.park(Object blocker)阻塞當(dāng)前的調(diào)用線程，直到有其他線程調(diào)用LockSupport.unpark(Node2.thread)喚醒Node2被阻塞的線程，或Node2.thread被中斷才會退出parkAndCheckInterrupt()。我們注意到在<5>處有一個判斷，前驅(qū)節(jié)點的等待狀態(tài)>0，一般狀態(tài)為CANCELLED（1），表示前驅(qū)節(jié)點被移除。之所以會存在被移除的節(jié)點，是因為我們可能以tryLock(long timeout, TimeUnit unit)的方式往等待隊列中添加節(jié)點，如果超時還未獲得鎖，這個節(jié)點就要被移除；我們還可能用lockInterruptibly()的方式往等待隊列中添加節(jié)點，如果節(jié)點所對應(yīng)的線程被中斷，這個節(jié)點也處于被移除狀態(tài)。所以<5>處如果發(fā)現(xiàn)前驅(qū)節(jié)點的等待狀態(tài)大于0，會一直往前驅(qū)節(jié)點遍歷直到找到等待狀態(tài)<=0的節(jié)點將其作為前驅(qū)節(jié)點，并將前驅(qū)節(jié)點的后繼指向當(dāng)前節(jié)點。要注意的是，等待狀態(tài)為-1時，代表當(dāng)前節(jié)點的后繼節(jié)點等待喚醒，>0的時候，代表當(dāng)前節(jié)點被移除，前者的狀態(tài)與后繼節(jié)點有關(guān)，后者的狀態(tài)僅與自身有關(guān)。如果在自旋期間線程出現(xiàn)其他異常，則會調(diào)用<6>處的代碼將節(jié)點從等待隊列移除，并拋出異常。cancelAcquire(Node node)會在后面介紹，這里我們只要先知道這是一個將節(jié)點從隊列中移除的方法。
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
//...
private transient volatile Node head;
//...
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean interrupted = false;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//<1>
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))//<2>
interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
}
} catch (Throwable t) {
cancelAcquire(node);//<6>
if (interrupted)
selfInterrupt();
throw t;
}
}
//...
//設(shè)置當(dāng)前節(jié)點為頭節(jié)點，此時可以清空頭節(jié)點指向的線程引用
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
//...
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)//<3>
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) {//<5>
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {//<4>
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
pred.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
//...
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//阻塞調(diào)用線程，可調(diào)用LockSupport.unpark(Thread thread)喚醒或由線程中斷喚醒。
LockSupport.park(this);
//返回線程是否由中斷喚醒，返回true為被中斷喚醒，但此方法會清除線程的中斷標(biāo)記
return Thread.interrupted();
}
//...
}
能從boolean acquireQueued(final Node node, int arg)方法中返回的線程，都是成功占有鎖的線程，但返回結(jié)果分當(dāng)前線程是否被中斷，true為被中斷?？赡艽嬖谶@樣一種情況，前一個線程釋放鎖完畢后，即將喚醒后一個線程，此時后一個線程被中斷喚醒，后一個線程發(fā)現(xiàn)其Node節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點為頭節(jié)點，且鎖為無主狀態(tài)，于是搶鎖成功直接返回。這里要標(biāo)記線程的中斷狀態(tài)interrupted，因為線程會從parkAndCheckInterrupt()中被喚醒，最后會執(zhí)行Thread.interrupted()返回當(dāng)前線程是否由中斷喚醒，但Thread.interrupted()會清除中斷標(biāo)記，所以在占據(jù)鎖之后會根據(jù)返回的interrupted狀態(tài)，決定是否設(shè)置線程的中斷狀態(tài)。如果一個線程在調(diào)用acquireQueued(final Node node, int arg)方法的后都未被中斷，直到前一個線程調(diào)用LockSupport.unpark(Thread thread)喚醒該線程，那么這個線程就不是用中斷的形式喚醒，也就不用設(shè)置線程的中斷狀態(tài)。
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
//...
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
//根據(jù)acquireQueued()的返回，決定是否設(shè)置線程的中斷標(biāo)記
selfInterrupt();
}
//...
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
//...
}
到此這篇關(guān)于Java源碼解析之詳解ReentrantLock的文章就介紹到這了,更多相關(guān)ReentrantLock源碼解析內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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