JUC之四重入锁，公平锁和非公平锁

上一文写了独占锁与共享锁，这次再聊聊重入锁。

重入是指任意线程在获取到锁之后能再次获取该锁而不会被锁阻塞，基于这个定义会引出两个问题：

1. 线程再次获取锁。锁需要去识别获取锁的线程是否为当前占据锁的线程，如果是则再次获取成功。这里会涉及到锁获取的公平与非公平，下面会提到。
2. 锁的最终释放。线程重复N次获取锁，随后在第N次释放锁后其它线程能够获取到锁。
   我们知道synchronized是支持隐式的重入的，在synchronized修饰的方法如果出现递归，线程并不会阻塞自己。ReentrantLock是通过组合自定义同步器来实现锁的获取与释放，以非公平性（默认）实现。锁重入的次数是保存在volatile修饰的state变量上的，需要说明是重入锁并非共享锁，所以可以直接使用state进行记录，而后面提到的读写锁里的读锁因为是共享的，所以读锁的获取次数是使用threadlocal进行记录的。

重要的内部类
ReentrantLock里有3个重要的内部类，分别是 Sync、NonfairSync、FairSync：

1. Sync 是后面两个的父类，继承至AbstractQueuedSynchronizer。
2. NonfairSync和FairSync都继承至Sync。
3. NonfairSync 主要用于实现非公平锁，FairSync 主要用于实现公平锁。

重要的属性
private final Sync sync;
在构造方法中初始化，通过构造方法参数决定使用公平锁还是非公平锁实现。

重要的构造器

//不公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

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

公平与非公平锁的区别
公平与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。

下面我们来比较下公平锁与非公平锁获取的代码：

    static final class NonfairSync extends Sync {
        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         * 非公平锁上来先CAS设置状态，如果成功则获取成功，这是与公平锁不同点之一
         * 未成功才会加入到同步队列中
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

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

        //获取非公平锁
        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            //同一线程获取锁的次数
            //如果同一线程未释放且再次获取成功会累加次数
            int c = getState();
            if (c == 0) {//还没有线程获取锁
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //将当前线程设置为独占锁的线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;//获取成功
                }
            }
            //判断当前线程是否是已获取锁的线程
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;//获取次数累加
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;//获取成功
            }
            return false;
        }

    //公平获取锁    
    static final class FairSync extends Sync {
        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        /**
         * 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) {
                //与非公平唯一不同的地方是，加入了同步队列中的当前节点
                //是否有前驱节点。如果有表示有线程比当前线程更早地请求获取锁，
                //需要等之前的线程获取锁并释放后再继续获取锁。
                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;
        }
    }

接着看下锁的释放：

        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;
        }

如果该锁被获取了N次，那么前(N-1)次释放时会返回false，只有同步状态完全释放了才会返回true。

公平锁与非公平锁总结

1. 非公平锁上来会先CAS设置状态，设置成功则表示获取锁成功，失败了才会加入到同步队列。在这个前提下，刚释放锁的线程现次获取锁的几率会非常大。
2. 公平锁在获取过程中会判断加入同步队列中的当前节点是否有前驱节点，这是与非公平锁获取不同点之一。
3. 公平锁遵循FIFO，可以避免饥饿。
4. 非公平锁可以减少线程上下文切换，吞吐量较公平锁高。

参考文章：①ReentrantLock之公平锁和非公平锁

Java 重入锁 ReentrantLock 原理分析