Java中的锁 重入锁ReentrantLock

重入锁ReentrantLock指的是支持同一个线程对资源的重复加锁。ReentrantLock中有公平锁和非公平锁的两种实现。

synchronized关键字支持隐式的重入；当一个线程获取到锁时，是支持这个线程多次获取这个锁的，不会出现自己阻塞自己的情况，并且我们开发过程中对于synchronized关键字也不需要关心锁的释放。举个递归的例子我们来看synchronized关键字对锁的重入。

代码示例

package com.lizba.p6; /** *

* synchronized锁重入测试 *

* * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/21 21:45 */ public class SynchronizedTest { public static void main(String[] args) { int sum = cal(0); System.out.println(sum); } /** * 简单递归重入，递归十次 * @param i * @return */ private static synchronized int cal(int i) { if (i < 10) { return cal(++i); } return i; } }

输出结果为10，在这个过程中main线程重复进入synchronized关键字修饰的cal(int i)方法。因此也证明了上面的说法正确。

ReentrantLock基于AQS和Lock来实现的，那如果是我们ReentrantLock要实现可重入，需要解决和实现如下两个问题：

同一个线程多次获取锁，则需要判断当前来获取锁的线程和占有锁的线程是否为同一个线程

多次获取锁，则需要多次释放这个锁，可以通过一个计数器累加和自减来记录锁的重复获取与释放

ReentrantLock中有两种重入锁的实现，分别是：

NonfairSync-非公平锁

FairSync-公平锁

公平锁和非公平锁的本质区别就在于，获取锁的顺序是否符合FIFO，对于公平锁来说先加入同步队列等待的线程，必将会先获取到同步状态（锁），对于非公平锁来说，获取到锁的顺序不确定。

在进行源码分析之前，先来看看ReentrantLock是如何使用的，ReentrantLock的使用非常简单，示例代码如下：

package com.lizba.p6; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** *

* ReentrantLock使用示例代码 *

* * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/21 22:09 */ public class ReentrantLockDemo { /**　初始化一个非公平锁，ReentrantLock的默认实现是非公平锁　*/ private static Lock lock = new ReentrantLock(); public static void main(String[] args) { new Thread(() -> testReentrantLock(), "Thread A").start(); new Thread(() -> testReentrantLock(), "Thread B").start(); } /** * 假设为获取锁执行的相关业务逻辑方法 */ private static void testReentrantLock() { // 获取锁要在try值外，如果获取锁过程中异常，不会无故释放锁 lock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：获取了锁"); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { // 释放锁在finally代码块中 lock.unlock(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：释放了锁"); } } }

如上简单使用的案例，Thread A和Thread B输出的结果如下（这里是非公平锁不要被现在的顺序迷惑）：

Sync—ReentrantLock组合的自定义同步器抽象

/** * ReentrantLock内部类Sync，也是其内部组合实现的自定义同步器的抽象 */ abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L; /** * 定义获取锁的抽象方法，由NonfairSync和FairSync去实现各自获取锁的方式 */ abstract void lock(); /** * NonfairSync中tryAcquire调用的方法 */ final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // 如果当前共享状态未被其他线程占用 if (c == 0) { // 尝试通过CAS占有当前共享状态 if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 设置共享状态持有线程为当前线程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 如果共享状态已被占用，则判断当前占用共享状态的线程是否就是当前线程 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 如果是则自增获取次数，设值state int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } /** * 释放共享状态 */ protected final boolean tryRelease(int releases) { // 计算减少后的值state int c = getState() - releases; // 判断当前线程和持有共享状态的线程是否是同一个线程，不是则抛出异常 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 如果state递减后的值为0了，表示线程释放完共享状态，需要情况持有共享状态的线程变量 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } // 设置state setState(c); return free; } /** * 判断占用共享状态的线程是否是当前线程 */ protected final boolean isHeldExclusively() { return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread(); } /** * 如果state不为0，则获取共享状态的持有线程，否则返回null */ final Thread getOwner() { return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread(); } /** * 如果当前线程持有共享状态，则返回state，否则返回0 */ final int getHoldCount() { return isHeldExclusively() ? getState() : 0; } /** * 判断当前共享状态是否被持有 */ final boolean isLocked() { return getState() != 0; } private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { s.defaultReadObject(); setState(0); // reset to unlocked state } final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject(); } }

NonfairSync源码分析

/** * 非公平锁的代码实现 */ static final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L; /** * */ final void lock() { // CAS设置共享状态，返回true表示成功获取共享状态 if (compareAndSetState(0, 1)) // 设置当前线程为共享状态的持有线程 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else // 否则调用AQS中的acquire(int arg)尝试获取同步状态，失败则加入等待队列，自旋获取共享状态 acquire(1); } /** * 该方法在调用Sync中定义的nonfairTryAcquire方法，上面详细讲述了 * 主要是做线程重入判断，并对state共享状态值的增加（当获取同步状态的线程是持有同步状态的线程也就是所说的重入） */ protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } }

NonfairSync的tryRelease调用的是Sync中的tryRelease，上面在Sync源码中详细介绍了。假设线程A对共享状态tryAcquire(1)了十次，那么线程A在调用tryRelease(1)的前9次，state的值依次递减的同时一定会返回false，只有第十次也就是最后一调用tryRelease(1)，同步状态才会真正的释放，方法返回true，持有共享状态的线程置为null。

/** * 公平锁的代码实现 */ static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; /** * 调用AQS中的acquire(int arg)尝试获取同步状态，失败则加入等待队列，自旋获取共享状态 */ final void lock() { acquire(1); } /** * 公平锁和非公平锁的主要区别在于此方法 */ protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 获取到当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取当前同步状态 int c = getState(); // 如果同步状态为0，则说明当前同步状态已完全释放 if (c == 0) { // 1、hasQueuedPredecessors判断当前节点是否存在前驱节点 // 2、如果不存在则CAS设置state的值 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { // 前两个都满足则，设置同步状态持有的线程为当前线程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 否则判断当前线程和持有共享状态的线程是否是同一个线程 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 如果是，重入，状态值增加 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 设值新的状态值 setState(nextc); return true; } return false; } }

FairSync能够顺序的获取共享状态，也就是保证加入同步队列的顺序和获取到同步状态的顺序一致，依靠的是hasQueuedPredecessors()这个判断当前节点是否存在前驱节点的判断。

package com.lizba.p6; import java.util.ArrayList; import java.util.Collection; import java.util.Collections; import java.util.List; import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; import java.util.stream.Collectors; /** *

* 公平和非公平锁测试 *

* * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/21 23:33 */ public class FairAndUnfairTest { /** 定义公平锁 */ private static Lock fairLock = new ReentrantLockCustomize(true); /** 定义非公平锁 */ private static Lock unfairLock = new ReentrantLockCustomize(false); /** * 测试公平锁和非公平锁 * @param lock */ private static void testFairAndUnfairLock(Lock lock) { for (int i = 1; i <= 5; i++) { new Job(lock, ""+i).start(); } } /** * 定义线程实现，打印当前线程和等待队列中的线程 */ private static class Job extends Thread { private Lock lock; public Job(Lock lock,String name) { this.lock = lock; setName(name); } @Override public void run() { // 通过两次输出，来判断是否与队列中一致 for (int i = 0; i < 2; i++) { lock.lock(); try { System.out.println("获取锁的线程：" + Thread.currentThread().getName()); System.out.println("同步队列中的线程：" + ((ReentrantLockCustomize)lock).getQueuedThreads().stream().map(t -> t.getName()).collect(Collectors.joining(","))); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } } } } /** * 自定义可重入锁，主要新增getQueuedThreads()方法，用于获取等待队列中的线程 */ private static class ReentrantLockCustomize extends ReentrantLock { public ReentrantLockCustomize(boolean fair) { super(fair); } /** * 返回正在等待获取锁的线程列表，获取的实现列表逆序输出，反转后则为FIFO队列的原本顺序 * * @return 等待队列中的线程顺序集合 */ public Collection getQueuedThreads() { List ts = new ArrayList<>(super.getQueuedThreads()); Collections.reverse(ts); return ts; } } }

测试公平锁

// 测试公平锁 testFairAndUnfairLock(fairLock);

查看输出

同步队列中等待的线程的顺序为2、3、4、5此时输出的结果为1、2、3、4、5和 1、2、3、4、5，按照同步队列中等待的顺序顺序输出，先进入同步队列的先获取到锁。

测试非公平锁

// 测试非公平锁 testFairAndUnfairLock(unfairLock);

查看输出

同步队列中等待的线程顺序为2、4、5、3当时线程1却连续获取了两次锁，因此非公平锁是不能保证获取锁的顺序的。

存在问题：

非公平锁很明显存在线程“饥饿”问题，也就是一个线程获取到锁后会继续的再次获取到锁的可能性比较大，导致其他线程等待时间较长，那么为何ReentrantLock还有继续设置其为默认实现呢？这个主要原因是，公平锁会带来大量的线程切换的开销，而非公平锁虽然可能会导致线程“饥饿”问题，但是其吞吐量是远远大于公平锁的，相比之下非公平锁优势更大。

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