详解ReentrantLock---可重入锁(小白易懂)

详解ReentrantLock(小白易懂)

初识ReentrantLock

ReentrantLock是可重入的互斥锁，虽然具有与synchronized相同功能，但是会比synchronized更加灵活（具有更多的方法）。

ReentrantLock底层基于AbstractQueuedSynchronizer实现

AbstractQueuedSynchronizer抽象类定义了一套多线程访问共享资源的同步模板，解决了实现同步器时涉及的大量细节问题，能够极大地减少实现工作，
用大白话来说，AbstractQueuedSynchronizer为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数，只有少量细节由子类自己决定。

ReentrantLock结构组成

学任何知识的第一件事，就是看清它的全貌，梳理出整体结构与主流程，之后逐个击破，所以带读者们先看下ReentrantLock整体结构组成，
对它的实现有个大致的了解。

上图可以看出来，ReentrantLock整体结构还是非常简单，给读者们分析一波，为什么ReentrantLock结构是这样设计的，
首先ReentrantLock实现了Lock接口，Lock接口是Java中对锁操作行为的统一规范，遵守规则规范是守法公民的基本素养，合情合理，Lock接口的定义如下:

public interface Lock {
    /**
     * 获取锁
     */
    void lock( );
    /**
     * 获取锁-响应中断
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    /**
     * 返回获取锁是否成功状态
     */
    boolean tryLock():
    /**
     * 返回获取锁是否成功状态-响应中断
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    /**
     * 释放锁
     */
    void unlock();
    /**
     * 创建条件变量
     */
    Condition newCondition():
}

Lock接口定义的函数不多，接下来ReentrantLock要去实现这些函数，遵循着解耦可扩展设计，ReentrantLock内部定义了专门的组件Sync， 
Sync继承AbstractQueuedSynchronizer提供释放资源的实现，NonfairSync和FairSync是基于Sync扩展的子类，
即ReentrantLock的非公平模式与公平模式，它们作为Lock接口功能的基本实现。

大白话来说，企业的老板，为了响应政府的政策，需要对企业内部做调整，但是政府每年政策都不一样，每次都要自己去亲力亲为，索性长痛不如短痛，
专门成立一个政策应对部门，以后这些事情都交予这个部门去做，老板只需要指挥它们就好了。

清楚了ReentrantLock结构组成之后，下面我只需对Sync、NonfairSync、FairSync逐个击破，ReentrantLock自然水到渠成。
小贴士：在ReentrantLock中，它对AbstractQueuedSynchronizer的state状态值定义为线程获取该锁的重入次数，
state状态值为0表示当前没有被任何线程持有，state状态值为1表示被其他线程持有，因为支持可重入，如果是持有锁的线程，再次获取同一把锁，
直接成功，并且state状态值+1，线程释放锁state状态值-1，同理重入多次锁的线程，需要释放相应的次数。

Sync

Sync可以说是ReentrantLock的亲儿子，它寄托了全村的希望，完美的继承了AbstractQueuedSynchronizer，是ReentrantLock的核心，
后面的NonfairSync与FairSync都是基于Sync扩展出来的子类。以下是Sync类定义的核心部分:

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialversionUID = -5179523762034025860L;
    //获取锁-子类实现
    abstract void lock();
    //非公平-获取资源
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        //获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取当前状态
        int c = getState();
        if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取
            //cas设置state为acquires，acquires传入的是1
            if (compareAndSetstate(0， acquires)) {
                //cas成功，设置当前持有锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                //返回成功
                return true;
            }
    	}
        else if (current== getExclusiveOwnerThread()){
            //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程，直接重入
            //state状态+1
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)// overflow
            	throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            //设置state状态，此处不需要cas，因为持有锁的线程只有一个
            setState(nextc);
            //返回成功
            return true;
        }
        //返回失败
        return false;
    }
            /**
             * 释放资源
             */
     protected final boolean tryRelease(int releases) {
         //state状s-releases，releases传入的是1
         int c = getState() - releases;
         if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) 
             //如果当前线程不是持有锁线程，抛出异常
             throw new IllegalMonitorstateException();
         //设置返回状态，默认为失败
         boolean free = false;
         if (c == 0) {
             //state-1后，如果c==0代表释放资源成功
             //返回状态设置为true
            free = true;
             //清空持有锁线程
            setExclusiveOwnerThread(null);
            //如果state-1后，state还是>0，代表当前线程有锁重入操作，需更做相应的释放次数，设置state值
             setState(c):
             return free;
          }
     }

我发现Sync有点偏心，首先Sync实现释放资源的细节（AQS留给子类实现的tryRelease），然后声明了获取锁的抽象函数（lock），子类根据业务实现，
目前看来还是很公平，但是Sync还定义了一个nonfairTryAcquire函数，这个函数是专门给NonfairSync使用的，FairSync却没有这种待遇，所以说Sync偏心。

Sync逻辑都比较简单，实现了AQS类的释放资源（tryRelease），然后抽象了一个获取锁的函数让子类自行实现（lock），
再加一个偏心的函数nonfairTryAcquire，但是再怎么简单，图还是要有的，这是我读者们的福利。

下面放一张tryRelease流程图，在后续的NonfairSync、FairSync都会有全面的流程。

NonfairSync

现在我们把视线转移到NonfairSync，在ReentrantLock中支持两种获取锁的策略，分别是非公平策略与公平策略，NonfairSync就是非公平策略。

此时会有疑问，什么是非公平策略？

在说非公平策略前，先简单的说下AQS（AbstractQueuedSynchronizer）流程，AQS为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数，加锁与解锁的模板流程是，
获取锁失败的线程，会进入CLH队列阻塞，其他线程解锁会唤醒CLH队列线程，如下图所示（简化流程）

上图中，线程释放锁时，会唤醒CLH队列阻塞的线程，重新竞争锁，要注意，此时可能还有非CLH队列的线程参与竞争，所以非公平就体现在这里，非CLH队列线程与CLH队列线程竞争，各凭本事，不会因为你是CLH队列的线程，排了很久的队，就把锁让给你。

了解了什么是非公平策略，我们再来看看NonfairSync类定义

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
    //获取锁
    final void lock() {
        if (compareAndSetstate(0，1))//cas设置state为1成功，代表获取资源成功
            //资源获取成功，设置当前线程为持有锁线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    	else
    		//cas设置state为1失败，代表获取资源失败，执行AQS获取锁模板流程，否获取资源成功
            acquire(1);
    }
    
    //获取资源-使用的是Sync提供的nonfairTryAcquire函数
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}
	
    //AQS获取锁模板函数，这是AQS类中的函数
    public final void acquire(int arg) {
        //我们只需要关注tryAcquire函数，后面的函数是AQS获取资源失败，线程节点进入CLH队列的细节流程，本文不关注
        if(!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addwaiter(Node.EXCLUSIVE),arg))
            selfInterrupt();
    }

NonfairSync继承Sync实现了lock函数，lock函数也非常简单，CAS设置状态值state为1代表获取锁成功，否则执行AQS的acquire函数（获取锁模板），另外NonfairSync还实现了AQS留给子类实现的tryAcquire函数（获取资源），这个被Sync宠幸的幸运儿，直接使用Sync提供的nonfairTryAcquire函数来实现tryAcquire，最后子类实现的tryAcquire函数在AQS的acquire函数中被使用。

首先AQS的acquire函数是获取锁的流程模板，模板流程会先执行tryAcquire函数获取资源，tryAcquire函数要子类实现，NonfairSync作为子类，实现了tryAcquire函数，具体实现是调用了Sync的nonfairTryAcquire函数。

接下来，我们再看看Sync专门给NonfairSync准备的nonfairTryAcquire函数逻辑

/**
 * 非公平-获取资源
 */
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    //获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    //获取当前状态
    int c = getState();
    if (c == 0) { // state==0 代表资源可获取
        //cas设置state为acquires，acquires传入的是1
        if (compareAndSetstate(0， acquires)) {
            //cas成功，设置当前持有锁的线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            //返回成功
            return true;
        }
    }
    //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程，直接重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //state状态+1
    	int nextc = c + acquires;
    	if (nextc < 0) // overflow
    		throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //设置state状态，此处不需要cas，因为持有锁的线程只有一个
        setstate(nextc);
        //返回成功
        return true;
    }
    //返回失败
    return false;
}

对上述代码逻辑做个简单的概括，当前线程查看资源是否可获取：

可获取，尝试使用CAS设置state为1，CAS成功代表获取资源成功，否则获取资源失败

不可获取，判断当线程是不是持有锁的线程，如果是，state重入计数，获取资源成功，否则获取资源失败

以下是nonfairTryAcquire流程图

FairSync

有非公平策略，就有公平策略，FairSync就是ReentrantLock的公平策略。

所谓公平策略就是，严格按照CLH队列顺序获取锁，线程释放锁时，会唤醒CLH队列阻塞的线程，重新竞争锁，要注意，此时可能还有非CLH队列的线程参与竞争，为了保证公平，一定会让CLH队列线程竞争成功，如果非CLH队列线程一直占用时间片，那就一直失败（构建成节点插入到CLH队尾，由AQS模板流程执行），直到时间片轮到CLH队列线程为止，所以公平策略的性能会更差。

了解了什么是公平策略，我们再来看看FairSync类定义

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    //获取锁
    final void lock() {
        //cas设置state为1失败，代表获取资源失败，执行AQs获取锁模板流程，否获取资源成功
        acquire(1);
    }
	//获取资源
	protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        //获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        //获取state状态
        int c = getstate();
        if (c == 0){  // state==0 代表资源可获取
            //1.hasqueuedPredecessors判断当前线程是不是CLH队列被唤醒的线程，如果是执行下一个步歌
            //2.cas设置state为acquires，acquires传入的是1
            if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetstate(o, acquires)) {
                //cas成功，设置当前持有锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                //返回成功
                return true;
            }
        }
        else if (current== getExclusiveOwnerThread()){
            //如果state!=0,但是当前线程是持有锁线程，直接重入
            //state状态+1
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)// overflow
            	throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            //设置state状态，此处不需要cas，因为持有锁的线程只有一个
            setState(nextc);
            //返回成功
            return true;
        }
        //返回失败
        return false;
    }
}
	//AQS获取锁模板函数，这是AQS类中的函数
    public final void acquire(int arg) {
        //我们只需要关注tryAcquire函数，后面的函数是AQS获取资源失败，线程节点进入CLH队列的细节流程，本文不关注
        if(!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addwaiter(Node.EXCLUSIVE),arg))
            selfInterrupt();
    }

其实我们不难发现FairSync流程与NonfairSync基本一致，唯一的区别就是在CAS执行前，多了一步hasQueuedPredecessors函数，这一步就是判断当前线程是不是CLH队列被唤醒的线程，如果是就执行CAS，否则获取资源失败，下面是流程图

Lock的实现

最后看看ReentrantLock中是如何实现Lock的，先看构造器部分

//同步器
private final Sync sync;

//默认使用非公平策略
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

//true-公平策略 false非公平策略
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock默认是使用非公平策略，如果想指定模式，可以通过入参fair来选择，这里就不做过多概述，接下来看看ReentrantLock对Lock的实现

public class ReentrantLock implements Lock, java,io,Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    //同步器
    private final Sync sync;
    
    //默认使用非公平策略
    public ReentrantLock() {
        sync = new Nonfairsync():
    }
    
    //true-公平策略 false非公平策路
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        //获取锁-阻塞
        public void lock() {
            //基于sync实现
            sync.lock();
        }
        //获取锁-阻塞，支持响应线程中断
        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        //甚于sync实现
        sync.acquireInterruptibly(1);
        }
        //获取资源，返回是否成功状态-非阻塞
		public boolean tryLock() {
            //基于sync实现
            return sync.nonfairTryAcquire(1);
        }
        
        //获取锁-阻塞，支持超时
        public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {
            //基于sync实现
            return sync.tryAcquireNanos(1. unit.toNanos(timeout));
        }
        //释放锁
        public void unlock() {
            //基于sync实现
            sync.release(1);
        }
        //创建条件变量
        public Condition newCondition() {
            //基于sync实现
            return sync.newCondition();
        }
    }

ReentrantLock对Lock的实现都是基于Sync来做的。Sync承包了所有事情，为何它如此厉害，因为Sync上有AbstractQueuedSynchronizer老大哥罩着，下有NonfairSync与FairSync两小弟可差遣，所以成为ReentrantLock的利器也合情合理。

感谢各位大哥的阅读