深入了解ReentrantLock中的公平锁和非公平锁的加锁机制

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前言

ReentrantLock和synchronized一样都是实现线程同步，但是像比synchronized它更加灵活、强大、增加了轮询、超时、中断等高级功能，可以更加精细化的控制线程同步，它是基于AQS实现的锁，他支持公平锁和非公平锁，同时他也是可重入锁和自旋锁。

本章将基于源码来探索一下ReentrantLock的加锁机制，文中如果存在理解不到位的地方，还请提出宝贵意见共同探讨，不吝赐教。

公平锁和非公平锁的加锁机制流程图：

一、ReentrantLock的公平锁

使用ReentrantLock的公平锁，调用lock进行加锁，lock方法的源码如下：

`final void lock() {`
 `acquire(1);`
`}`
`public final void acquire(int arg) {`
 `if (!tryAcquire(arg) &&`
 `acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))`
 `selfInterrupt();`
`}`

可以看到，FairLock首先调用了tryAcquire,tryAcquire源码如下：

`/**`
 `* Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless`
 `* recursive call or no waiters or is first.`
 `*/`
`protected final boolean tryAcquire(int acquires) {`
 `final Thread current = Thread.currentThread();`
 `int c = getState();`
 `if (c == 0) {`
 `//如果队列中不存在等待的线程或者当前线程在队列头部，则基于CAS进行加锁`
 `if (!hasQueuedPredecessors() &&`
 `compareAndSetState(0, acquires)) {`
 `setExclusiveOwnerThread(current);`
 `return true;`
 `}`
 `}`
 `//是否可以进行锁重入`
 `else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {`
 `int nextc = c + acquires;`
 `if (nextc < 0)`
 `throw new Error("Maximum lock count exceeded");`
 `setState(nextc);`
 `return true;`
 `}`
 `return false;`
`}`

从源码中可以看到，当state为0，即没有线程获取到锁时，FairLock首先会调用hasQueuedPredecessors()方法检查队列中是否有等待的线程或者自己是否在队列头部，如果队列中不存在等待的线程或者自己在队列头部则调用compareAndSetState()方法基于CAS操作进行加锁，如果CAS操作成功，则调用setExclusiveOwnerThread设置加锁线程为当前线程。

当state不为0，即有线程占用锁的时候会判断占有锁的线程是否是当前线程，如果是的话则可以直接获取到锁，这就是ReentrantLock是可重入锁的体现。

如果通过调用tryAcquire没有获取到锁，从源码中我们可以看到，FairLock会调用addWaiter()方法将当前线程加入CLH队列中，addWaiter方法源码如下：

`private Node addWaiter(Node mode) {`
 `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;`
 `//基于CAS将当前线程节点加入队列尾部`
 `if (compareAndSetTail(pred, node)) {`
 `pred.next = node;`
 `return node;`
 `}`
 `}`
 `//如果CAS操作失败，则调用enq自旋加入队列`
 `enq(node);`
 `return node;`
`}`
`private Node enq(final Node node) {`
 `for (;;) {`
 `Node t = tail;`
 `if (t == null) { // Must initialize`
 `if (compareAndSetHead(new Node()))`
 `tail = head;`
 `} else {`
 `node.prev = t;`
 `if (compareAndSetTail(t, node)) {`
 `t.next = node;`
 `return t;`
 `}`
 `}`
 `}`
 `}`

在addWaiter方法中，会CAS操作将当前线程节点加入队列尾部，如果第一次CAS失败，则会调用enq方法通过自旋的方式，多次尝试进行CAS操作将当前线程加入队列。

将当前线程加入队列之后，会调用acquireQueued方法实现[当前线程]的自旋加锁，acquireQueued源码如下：

`final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {`
 `boolean failed = true;`
 `try {`
 `boolean interrupted = false;`
 `for (;;) {`
 `final Node p = node.predecessor();`
 `if (p == head && tryAcquire(arg)) {`
 `setHead(node);`
 `p.next = null; // help GC`
 `failed = false;`
 `return interrupted;`
 `}`
 `if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&`
 `parkAndCheckInterrupt())`
 `interrupted = true;`
 `}`
 `} finally {`
 `if (failed)`
 `cancelAcquire(node);`
 `}`
 `}`

在acquireQueued方法中每次自旋首先会调用predecessor()方法获取，当前线程节点的前节点，如果发现前节点是head节点，则说明当前线程节点处于对头（head是傀儡节点），那么则调用tryAcquire尽心加锁。

如果当前线程节点不在队列头部，那么则会调用shouldParkAfterFailedAcquire方法判断当前线程节点是否可以挂起知道前节点释放锁时唤醒自己，如果可以挂起，则调用parkAndCheckInterrupt实现挂起操作。另外，关注后端架构师公众号，回复“面试”，送你一份面试题宝典！

shouldParkAfterFailedAcquire源码如下：

`private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {`
 `int ws = pred.waitStatus;`
 `if (ws == Node.SIGNAL)`
 `/*`
 `* This node has already set status asking a release`
 `* to signal it, so it can safely park.`
 `*/`
 `return true;`
 `if (ws > 0) {`
 `/*`
 `* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and`
 `* indicate retry.`
 `*/`
 `do {`
 `node.prev = pred = pred.prev;`
 `} while (pred.waitStatus > 0);`
 `pred.next = node;`
 `} else {`
 `/*`
 `* 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.`
 `*/`
 `compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);`
 `}`
 `return false;`
 `}`

shouldParkAfterFailedAcquire源码中，如果当前线程节点的前节点的waitStatus状态为SIGNAL（-1）时，表明前节点已经设置了释放锁时唤醒（unpark）它的后节点，那么当前线程节点可以安心阻塞（park），等待它的前节点在unlock时唤醒自己继续尝试加锁。

如果前节点的waitStatus状态>0,即为CANCELLED (1)，表明前节点已经放弃了获取锁，那么则会继续往前找，找到一个能够在unlock时唤醒自己的线程节点为止。如果前节点waitStatus状态是CONDITION （-2），即处于等待条件的状态，则会基于CAS尝试设置前节点状态为SIGNAL（主动干预前节点达到唤醒自己的目的）。

parkAndCheckInterrupt源码：

`private final boolean parkAndCheckInterrupt() {`
 `LockSupport.park(this);`
 `return Thread.interrupted();`
 `}`

二、ReentrantLock的非公平锁

和公平锁加锁机制不同的是，非公平锁一上来不管队列中是否还存在线程，就直接使用CAS操作进行尝试加锁（这就是它的非公平的体现），源码如下：

 `final void lock() {`
 `if (compareAndSetState(0, 1))`
 `setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());`
 `else`
 `acquire(1);`
`}`
`public final void acquire(int arg) {`
 `if (!tryAcquire(arg) &&`
 `acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))`
 `selfInterrupt();`
`}`

如果CAS操作失败（一上来就吃了个闭门羹），则调用acquire方法进行后续的尝试和等待。从源码中可以看到，首先回调用tryAcquire方法进行再次尝试加锁或者锁重入，NoFairLockd的tryAcquire方法源码如下：

`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) // overflow`
 `throw new Error("Maximum lock count exceeded");`
 `setState(nextc);`
 `return true;`
 `}`
 `return false;`
 `}`

可以看到NoFairLock的tryAcquire方法和FairLock的tryAcquire方法唯一不同之处是NoFairLock中尝试加锁前不需要调用hasQueuedPredecessors方法判断队列中是否存在其他线程，而是直接进行CAS操作加锁。

那么如果再次尝试加锁或者锁重入失败，则会进行后续的和公平锁完全一样的操作流程（不再赘述），即：加入队列（addWaiter）–>自旋加锁(acquireQueued)。

三、unlock解锁

说完了公平锁和非公平锁的加锁机制，我们再顺带简单的看看解锁源码。unlock源码如下：

`public void unlock() {`
 `sync.release(1);`
`}`
`public final boolean release(int arg) {`
 `//尝试释放锁`
 `if (tryRelease(arg)) {`
 `Node h = head;`
 `//锁释放成后唤醒后边阻塞的线程节点`
 `if (h != null && h.waitStatus != 0)`
 `unparkSuccessor(h);`
 `return true;`
 `}`
 `return false;`
`}`

总结 本文主要探索了公平锁和非公平锁的加锁流程，他们获取锁的不同点和相同点。整篇文章涉及到了以下几点：

1. 公平锁、非公平锁加锁过程
2. 自旋锁的实现以及自旋过程中的阻塞唤醒
3. 可重入锁的实现
4. CLH队列

注：文中如果存在理解不到位的地方还请提出宝贵意见，不吝赐教。