Java中的ReentrantLock类

ReentrantLock类

ReentrantLock 是 Java 并发包（java.util.concurrent.locks）提供的一个可重入锁，比 synchronized 更灵活，支持公平锁、非公平锁、可中断锁、超时获取锁等特性。

ReentrantLock类的常用方法

构造方法

public ReentrantLock() ：// 创建一个非公平锁（默认）
public ReentrantLock(boolean fair) ：// 创建一个公平锁或非公平锁

获取锁

public void lock() ：阻塞式地获取锁（如果锁被占用，会一直等待）。
public boolean tryLock() ：尝试获取锁（不会阻塞，获取失败返回 false）。
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException ：在指定时间内尝试获取锁，超时返回 false。

使用 ReentrantLock 时，锁必须在 try 代码块开始之前获取，并且加锁之前不能有异常抛出，否则在 finally 块中就无法释放锁（ReentrantLock 的锁必须在 finally 中手动释放）。

判断锁的归属

public boolean isLocked() ：判断锁是否被任何线程持有。
public boolean isHeldByCurrentThread() ：判断锁是否被当前线程持有。

释放锁

public void unlock() ：释放锁

ReentrantLock 的实现原理

ReentrantLock 是基于 AQS 实现的可重入锁，内部实现依靠一个 state 变量和两个队列：同步队列 和 等待队列。

等待队列：条件 condition 不满足时候则入等待队列等待，是个单向链表。
同步队列：等待争抢锁的线程

线程利用 CAS 修改 state 来争抢锁。争抢不到则入同步队列等待，同步队列是一个双向链表。

是否是公平锁的区别在于：线程获取锁时是加入到同步队列尾部还是直接利用 CAS 争抢锁。

运行逻辑

非公平锁的实现

获取非公平锁

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final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //1. 如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取
	if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
	//2.若被占有，检查占有线程是否是当前线程
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
		// 3. 再次获取，计数加一
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取
如果该锁已经被线程占有了，会继续检查占有线程是否为当前线程
- 如果是的话，同步状态加 1 返回 true，表示可以再次获取成功。每次重新获取都会对同步状态进行加一的操作

释放非公平锁

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protected final boolean tryRelease(int releases) {
	//1. 同步状态减1
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
		//2. 只有当同步状态为0时，锁成功被释放，返回true
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
	// 3. 锁未被完全释放，返回false
    setState(c);
    return free;
}

由于锁会被获取 n 次，那么只有锁在被释放同样的 n 次之后，该锁才算是完全释放成功。

总体逻辑

CAS 方式尝试将 state 从 0 变为 1，如果成功，锁被当前线程获取。
如果失败（锁已被占用），则进入 AQS 同步队列，等待唤醒。

公平锁的实现

获取公平锁

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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;
}

增加了 hasQueuedPredecessors 的逻辑判断，用来判断当前节点在同步队列中是否有前驱节点的

如果有前驱节点，说明有线程比当前线程更早的请求资源，根据公平性，当前线程请求资源失败。

如果当前节点没有前驱节点，才有做后面逻辑判断的必要性。

总体逻辑

如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取
再检查 hasQueuedPredecessors()，判断当前线程前面是否有排队的线程
- 如果队列为空，才允许当前线程尝试获取锁（严格遵循先来先得）。
- 如果队列中已有等待的线程，即使 state == 0 也不能直接获取锁。
如果该锁已经被线程占有了，会继续检查占有线程是否为当前线程
- 如果是的话，同步状态加 1 返回 true，表示可以再次获取成功。每次重新获取都会对同步状态进行加一的操作

底层实现

内部通过一个计数器 state 来跟踪锁的状态和持有次数。
当线程调用 lock() 方法获取锁时，ReentrantLock 会检查 state 的值如果为 0
- 通过 CAS 修改为 1，表示成功加锁。
- 否则根据当前线程的公平性策略，加入到等待队列中。
线程首次获取锁时，state 值设为 1；如果同一个线程再次获取锁时，state 加 1；每释放一次锁，state 减 1。
如果 state = 0，则释放锁，并唤醒等待队列中的线程来竞争锁。

ReentrantLock 和 synchronized 的区别

用法不同：synchronized 可用来修饰普通方法、静态方法和代码块，而 ReentrantLock 只能用在代码块上。
获取锁和释放锁方式不同：synchronized 会自动加锁和释放锁，当进入 synchronized 修饰的代码块之后会自动加锁，当离开 synchronized 的代码段之后会自动释放锁。而 ReentrantLock 需要手动加锁和释放锁
锁类型不同：synchronized 属于非公平锁，而 ReentrantLock 既可以是公平锁也可以是非公平锁。
响应中断不同：ReentrantLock 可以响应中断，解决死锁的问题，而 synchronized 不能响应中断。
底层实现不同：synchronized 是 JVM 层面通过监视器实现的，而 ReentrantLock 是基于 AQS 实现的。
实现多路选择通知 ：ReentrantLock 可以实现多路选择通知（可以绑定多个 Condition），而 synchronized 只能通过 wait 和 notify/notifyAll 方法唤醒一个线程或者唤醒全部线程（单路通知）