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简介
ReentrantLock是基于同步器AbstractQueuedSynchronizer(AQS)实现的独占式重入锁，支持公平锁、非公平锁(默认是非公平锁)、申请锁可响应中断以及限时获取锁等高级功能，分析ReentrantLock就离不开同步器AQS，关系图如下：
在AQS中实现了如何获取锁和释放锁的模板方法，重入锁ReentrantLock实现时通过内部类继承Sync同步器AbstractQueuedSynchronizer。并调用同步器提供的模板方法，而这些模板方法将会调用ReentrantLock重写的方法，这是典型的模板方法设计模式。AQS实现同步器功能离不开三大基础组件：
- 对共享资源同步状态进行原子性管理 ---> 利用CAS对同步状态进行更新
- 线程的阻塞与唤醒 ---> 调用native方法
- 等待队列的管理 ---> 维护FIFO队列
AQS同步状态
AQS中使用了一个int型的volatile变量来表示同步状态，线程在尝试获取锁的时候，就回去比较同步器同步状态state是否为0，为0，那么线程就拿到了锁并改变同步状态；不为0，说明有其他线程拿到了锁。AQS中提供了以下三个方法来访问或修改同步状态：
//AQS成员变量，同步状态 private volatile int state; //获取当前同步状态 protected final int getState() { return state; } //设置当前同步状态 protected final void setState(int newState) { state = newState; } //使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } AQS同步队列
当有多个线程竞争获取锁时，只有一个线程能获取到锁，那么这些没有获取到锁的线程就需要等待，等到线程把锁释放了再唤醒等待线程去获取锁，为了实现等待-唤醒机制，AQS提供了基于CLH队列(Craig, Landin,Hagersten)实现的等待队列，是一个先入先出的双向队列。同步队列是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和CAS保证节点插入和移除的原子性。
AQS中的内部类Node是构建同步队列和等待队列（后面介绍Condition再介绍）的基础节点类，Node类部分源码如下：
static final class Node { //等待状态 volatile int waitStatus; //前驱结点 volatile Node prev; //后继节点 volatile Node next; //等待获取锁的线程 volatile Thread thread; //condition队列的后继节点 Node nextWaiter; } 关于节点Node的waitStatus，它反映的是节点中线程的等待状态，有如下取值：
- CANCELLED，值为1，因为超时或中断，该线程已经被取消
- SIGNAL，值为-1，线程的后继线程正/已被阻塞，当该线程release或cancel时要重新这个后继线程(unpark)
- CONDITION，值为-2，表明该线程被处于条件队列，就是因为调用了Condition.await而被阻塞
- PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
- 等待状态的初始值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
ReentrantLock数据结构
从关系图可以看出，ReentrantLock实现了Lock接口，内部类Sync是AQS的子类，Sync有两个子类FairSync(公平锁)和NonFairSync(非公平锁)。ReentrantLock只有一个成员变量sync,通过构造函数初始化，可以看到通过默认的构造函数构造的ReentrantLock是非公平锁。
private final Sync sync; public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); } public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); } 公平锁的获取
ReentrantLock获取锁方法如下：
public void lock() { sync.lock(); } 公平锁调用的是FairSync的lock方法：
final void lock() { acquire(1); } acquire方法是AQS实现的方法，介绍一下参数的1的意思：AQS规定同步状态state，想要获得锁就去改变同步状态，就是把同步状态加1。acquire方法：
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } 获取锁的过程：
- 尝试获取锁。
- 尝试获取失败，将当前线程构成Node加入Sync队列。
- 再次尝试获取，若获取失败线程进入等待态，等待唤醒。
tryAcquire(arg)
公平锁尝试获取，在FairSync里实现，获取同步状态成功返回true，否则返回false
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { //获取当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //获取同步状态 int c = getState(); //同步状态为0，没有其他线程占据锁 if (c == 0) { //检测同步队列没有其他线程等待(确保公平性)，如果没有获取锁就以CAS方式尝试改变同步状态 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { //设置锁的拥有者为当前线程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //同步状态不为0，检测是否是当前线程拥有锁 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //当前线程拥有锁，直接更新同步状态，重入锁 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } - hasQueuedPredecessors() hasQueuedPredecessors是AQS中的方法，检测同步队列有没有等待获取锁的线程，保证公平性。
public final boolean hasQueuedPredecessors() { //同步队列尾节点 Node t = tail; //同步队列头节点 Node h = head; Node s; //h!=t 头节点和尾节点不同，说明同步队列不为空 //同步队列不为空，检测下一个等待获取锁的线程(h.next.thread)是不是当前线程 return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); } - compareAndSetState(int expect, int update) compareAndSetState()在AQS中实现。compareAndSwapInt() 是sun.misc.Unsafe类中的一个native方法,如果当前状态值等于预期值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } - setExclusiveOwnerThread(Thread thread) & getExclusiveOwnerThread() setExclusiveOwnerThread和getExclusiveOwnerThread都是AQS父类AbstractOwnableSynchronizer的方法，setExclusiveOwnerThread用于设置线程t为当前拥有独占锁的线程。getExclusiveOwnerThread用于获得当前占据独占锁的线程
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { exclusiveOwnerThread = thread; } protected final Thread getExclusiveOwnerThread() { return exclusiveOwnerThread; } addWaiter(Node mode)
addWaiter在AQS中实现，以当前线程构成节点加入到同步队列末尾，并返回这个节点Node。
private Node addWaiter(Node mode) { //以当前线程和给定模式构成节点Node Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 同步队列不为空，以CAS方式把当前线程加入到队列末尾 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //队列为空，建立同步队列，再把当前线程加入同步队列 enq(node); return node; } - compareAndSetTail(Node expect, Node update) compareAndSetTail是AQS中的方法，调用本地native方法，如果同步队列队尾是expect节点，就把update节点添加到队列末尾，这是一个原子操作。
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update); } - enq(final Node 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; } } } } acquireQueued(final Node node, int arg)
如果当前线程的节点的前驱结点，就去尝试获取同步状态，如果不是或者获取失败根据waitStatus对同步队列进行清理：把waitStatus为CANCELLED从同步队列清除，修改错误的waitStatus，然后把线程堵塞，返回当前线程是否被中断。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { //当前节点的前驱结点 final Node p = node.predecessor(); //前驱结点是head头节点，尝试获取同步状态 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); } } - shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) 前驱结点不是head头节点或尝试获取同步状态失败以后，并不是马上把当前线程线程堵塞，还要检测同步队列前驱结点的状态，检查规则如下：
- 如果前驱节点状态为SIGNAL，表明当前节点需要被堵塞，此时则返回true。
- 如果前驱节点状态为CANCELLED(ws>0)，说明前继节点已经被取消，则从后往前找到一个有效(非CANCELLED状态)的节点，并返回false；之后无限循环直到步骤1返回true，线程阻塞。
- 如果前驱节点状态为非SIGNAL、非CANCELLED，则CAS设置前驱节点的状态为SIGNAL，并返回false；之后无限循环直到步骤1返回true，线程阻塞。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) return true; if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; } - parkAndCheckInterrupt() 把当前线程堵塞并检查是否有中断。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); } 锁的释放
ReentrantLock公平锁与非公平锁的释放机制是一样的，释放锁方法如下：
public void unlock() { sync.release(1); } unlock方法调用的release方法是在AQS中实现的,这里的1类似于acquire(1),适用于用来设置同步状态的，释放锁时会把同步状态减1。release方法会先调用tryRelease来尝试释放当前线程锁持有的锁。成功的话，则唤醒后继等待线程，并返回true。否则，直接返回false
public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } tryRelease(int releases)
tryRelease尝试获取锁，当同步状态为0时清空占据锁的线程，返回true；如果同步状态不为0返回false，因为ReentrantLock是重入锁，只有彻底释放tryRelease才会返回true。
protected final boolean tryRelease(int releases) { // c是本次释放锁之后的同步状态 int c = getState() - releases; //当前线程不是锁的拥有者，抛出IllegalMonitorStateException异常 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; //如果“锁”已经被当前线程彻底释放，则设置“锁”的持有者为null，即锁是可获取状态。 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } unparkSuccessor(Node node)
当前线程释放锁成功的话，会唤醒当前线程的后继线程。从aquireQueued方法可以看出，一旦头结点的后继结点被唤醒，那么后继结点就尝试去获取锁，如果获取成功就将头结点设置为自身，并将前一个头节点清空。
private void unparkSuccessor(Node node) { // 获取当前线程(要释放锁)的等待状态 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) //设置为初始状态 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); //同步队列头节点的下一个等待节点 Node s = node.next; //等待节点无效，从同步节点尾部开始遍历找到有效的等待节点 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } //唤醒等待节点的线程 if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); } 非公平锁的获取
NonfairSync类中lock()实现,首先尝试用CAS更改同步状态，如果成功，把当前线程设置为独占锁的拥有者；然后调用acquire(1)方法。
final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } acquire方法除了tryAcquire是由AQS的子类实现的，其他方法都是在AQS类实现的，tryAcquire的实现机制不同体现了公平锁与非公平锁的不同。
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } ReentrantLock中的NonfairSync的tryAcquire方法，调用了nonfairTryAcquire方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } nonfairTryAcquire(int acquires)
非公平锁的尝试获取锁时，如果同步状态为0，即没有其他线程获取到锁，当前线程直接以CAS方式改变同步状态，不会去同步队列找是否有其他线程早于当前线程等在同步队列中，效率较高。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); //同步状态为0，尝试以CAS方式改变同步状态 if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //重入锁 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; } 总结
本文介绍了ReentrantLock基于AQS同步器实现的公平锁和非公平锁的获取和释放，基于CAS改变同步状态是获得独占锁的基础，为了避免多个线程同时对进行竞争，在AQS中维护了FIFO的同步队列，当独占锁释放时，AQS同步器调度同步队列队首等待节点的线程去获取锁，有效避免了海量竞争独占锁造成资源的浪费，是一个非常巧妙的方法。