Java中ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock如何实现可重入锁的原理？

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目录 + ReentrantLock 原理 + 概念 + 核心变量和构造器 + 核心方法 + ReentrantReadWriteLock 原理 + 用例 + 核心变量和构造器 + Sync类 + tryAcquire获取写锁的流程 + tryAcquireShared获取读锁的流程 + 获取写锁的流程

目录

• ReentrantLock 原理
• 概念
• 核心变量和构造器
• 核心方法
• ReentrantReadWriteLock 原理
• 用例
• 核心变量和构造器
• Sync类
• tryAcquire获取写锁的流程
• tryAcquireShared获取读锁的流程获取写锁的流程
• fullTryAcquireShared完全获取读锁流程
• tryRelease释放写锁的流程
• tryReleaseShared释放读锁的流程
• readerShouldBlock和writerShouldBlock模板方法公平锁实现
• readerShouldBlock和writerShouldBlock模板方法非公平锁实现

ReentrantLock 原理

概念

基于AQS实现的可重入锁实现类。

核心变量和构造器

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {    private final Sync sync;    public ReentrantLock() {        // 默认为非公平锁。为何默认为非公平锁？因为通过大量测试下来，发现非公平锁的性能优于公平锁        sync = new NonfairSync();   }    public ReentrantLock(boolean fair) {        // 由fair变量来表明选择锁类型        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();   }    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        abstract void lock();        // 非公平锁标准获取锁方法        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {            final Thread current = Thread.currentThread();            int c = getState();            // 当执行到这里时，正好获取所得线程释放了锁，那么可以尝试抢锁            if (c == 0) {                // 继续抢锁，不看有没有线程排队                if (compareAndSetState(0, acquires)) {                    setExclusiveOwnerThread(current);                    return true;               }           }            // 当前线程就是持有锁的线程，表明锁重入            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {                // 利用state整形变量进行次数记录                int nextc = c + acquires;                // 如果超过了int表示范围，表明符号溢出，所以抛出异常0111 1111 + 1 = 1000 0000                if (nextc < 0)                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");                setState(nextc);                return true;           }            // 返回false 表明需要AQS来将当前线程放入阻塞队列，然后进行阻塞操作等待唤醒获取锁            return false;       }        // 公平锁和非公平锁公用方法，因为在释放锁的时候，并不区分是否公平        protected final boolean tryRelease(int releases) {            int c = getState() - releases;            // 如果当前线程不是上锁的那个线程            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())                throw new IllegalMonitorStateException();            boolean free = false;            // 不是重入锁，那么当前线程一定是释放锁了，然后我们把当前AQS用于保存当前锁对象的变量ExclusiveOwnerThread设置为null，表明释放锁成功            if (c == 0) {                free = true;                setExclusiveOwnerThread(null);           }            // 注意：此时state全局变量没有改变，也就意味着在setState之前，没有别的线程能够获取锁，这时保证了以上的操作原子性            setState(c);            // 告诉AQS，我当前释放锁成功了，你可以去唤醒正在等待锁的线程了            return free;       } ​        protected final boolean isHeldExclusively() {            return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();       } ​        final ConditionObject newCondition() {            return new ConditionObject();       } ​   } ​    static final class NonfairSync extends Sync {        // 由ReentrantLock调用获取锁        final void lock() {            // 非公平锁，直接抢锁，不管有没有线程排队            if (compareAndSetState(0, 1))                // 上锁成功，那么标识当前线程为获取锁的线程                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());            else                // 抢锁失败，进入AQS的标准获取锁流程                acquire(1);       } ​        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {            // 使用父类提供的获取非公平锁的方法来获取锁            return nonfairTryAcquire(acquires);       }   }​    static final class FairSync extends Sync {        // 由ReentrantLock调用        final void lock() {            // 没有尝试抢锁，直接进入AQS标准获取锁流程            acquire(1);       }        // AQS调用，子类自己实现获取锁的流程        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {            final Thread current = Thread.currentThread();            int c = getState();            // 此时有可能正好获取锁的线程释放了锁，也有可能本身就没有线程获取锁            if (c == 0) {                // 注意：这里和非公平锁的区别在于：hasQueuedPredecessors看看队列中是否有线程正在排队，没有的话再通过CAS抢锁                if (!hasQueuedPredecessors() &&                    compareAndSetState(0, acquires)) {                    // 抢锁成功                    setExclusiveOwnerThread(current);                    return true;               }           }            // 当前线程就是获取锁的线程，那么这里是锁重入，和非公平锁操作一模一样            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {                int nextc = c + acquires;                if (nextc < 0)                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");                setState(nextc);                return true;           }            // 返回false 表明需要AQS来将当前线程放入阻塞队列，然后进行阻塞操作等待唤醒获取锁            return false;       }   } }

核心方法

获取锁操作：

public void lock() {    // 直接通过sync同步器上锁    sync.lock(); }

释放锁操作：

public void unlock() {    sync.release(1); }

ReentrantReadWriteLock 原理

用例

将原来的锁，分割为两把锁：读锁、写锁。适用于读多写少的场景，读锁可以并发，写锁与其他锁互斥。写写互斥、写读互斥、读读兼容。

public class ThreadDemo {    static volatile int a;​    public static void readA() {        System.out.println(a);   }​    public static void writeA() {        a++;   }    public static void main(String[] args) {        ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();        ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();        ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();        Thread readThread1 = new Thread(() -> {            readLock.lock();            try {                readA();           } finally {                readLock.unlock();           } ​       });        Thread readThread2 = new Thread(() -> {            readLock.lock();            try {                readA();           } finally {                readLock.unlock();           }       }); ​        Thread writeThread = new Thread(() -> {            writeLock.lock();            try {                writeA();           } finally {                writeLock.unlock();           }       }); ​        readThread1.start();        readThread2.start();        writeThread.start();   } }

该接口用于获取读锁和写锁对象

public interface ReadWriteLock {    // 用于获取读锁    Lock readLock();    // 用于获取写锁    Lock writeLock(); }

readerLock和writerLock变量用于支撑以上描述的ReadWriteLock接口的读锁和写锁方法。通过构造方法得知，读写锁对象的创建和用例均依赖于公平锁或者非公平锁同步器。

public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock {    // 读锁对象    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;    // 写锁对象    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;    // 同步器    final Sync sync;    // 默认构造器，创建了非公平锁    public ReentrantReadWriteLock() {        this(false);   }    // 根据fair变量，来选择创建不同的锁：公平锁 FairSync 和非公平锁 NonfairSync    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();        // 用同步器来创建读写锁对象        readerLock = new ReadLock(this);        writerLock = new WriteLock(this);   }    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock() { return readerLock; }     }

Sync类

核心变量和构造器

我们说读锁可以多个线程同时持有，而写锁只允许一个线程持有，此时我们称 读锁-----共享锁 写锁------互斥锁（排他锁）。然后我们在AQS中了解到一个变量state，它是32位的值，那么我们这里将其切割为高16位和低16位。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {    // 高16位用于表示读锁    static final int SHARED_SHIFT   = 16;    // 用于对高16位操作：加1 减1    static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);    // 最大读锁量    static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;    // 用于获取低16位的值。例如 获取低八位：0000 0000 1111 1111    static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; ​    /** 获取当前持有读锁的线程数量 */    static int sharedCount(int c)   { return c >>> SHARED_SHIFT; }    /** 获取当前持有写锁的线程数量 */    static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; } ​    // 高16位为所有读锁获取，那么我想知道每个线程对于读锁重入的次数？采用ThreadLocal来进行统计，每个线程自己统计自己的    static final class HoldCounter {        int count = 0;        final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());   }    // 继承自ThreadLocal，重写了其中的initialValue方法，该方法将在线程第一次获取该变量时调用初始化HoldCounter计数器    static final class ThreadLocalHoldCounter        extends ThreadLocal<HoldCounter> {        public HoldCounter initialValue() {            return new HoldCounter();       }   }    // 创建ThreadLocal对象    private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;    // 缓存最后一个线程获取的读锁数量    private transient HoldCounter cachedHoldCounter;    // 保存获取到该锁的第一个读锁线程    private transient Thread firstReader = null;    // 保存第一个该锁的第一个读锁线程获取到的读锁数量    private transient int firstReaderHoldCount; ​    Sync() {        // 构造器中初始化ThreadLocalHoldCounter ThreadLocal对象        readHolds = new ThreadLocalHoldCounter();        // 用于保证可见性，使用了state变量的volatile语义        setState(getState());   } }

tryAcquire获取写锁的流程

由AQS调用，用于子类实现自己的上锁逻辑，和原有获取互斥锁保持一致，

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {    // 获取当前线程    Thread current = Thread.currentThread();    // 获取当前状态值和互斥锁的数量    int c = getState();    int w = exclusiveCount(c);    // 状态值有效    if (c != 0) {        // 有线程获取到了读锁或者当前线程不是持有互斥锁的线程        if (w == 0 ||  // 有线程获取到了读锁            current != getExclusiveOwnerThread()) // 有线程获取到了写锁            // 返回false 让AQS执行阻塞操作            return false;        // 写锁重入，而又由于写锁的数量保存在低16位，所以直接加就行了        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)            throw new Error("Maximum lock count exceeded");        setState(c + acquires);        return true;   }    // 既没有读锁，也没有写锁    if (writerShouldBlock() || // 由子类实现判断当前线程是否应该获取写锁        !compareAndSetState(c, c + acquires)) // 通过CAS抢写锁        return false;    // 获取写锁成功，那么将当前线程标识为获取互斥锁的线程对象    setExclusiveOwnerThread(current);    return true; }

tryAcquireShared获取读锁的流程获取写锁的流程

protected final int tryAcquireShared(int unused) {    // 获取到当前线程对象    Thread current = Thread.currentThread();    // 获取到当前状态值    int c = getState();    if (exclusiveCount(c) != 0 && // 有没有线程持有写锁        getExclusiveOwnerThread() != current) // 如果有线程获取到了互斥锁，那么进一步看看是不是当前线程        // 不是当前线程，那么直接返回-1，告诉AQS获取共享锁失败        return -1;    // 获取到读锁的持有数量    int r = sharedCount(c);    if (!readerShouldBlock() && // 让子类来判定当前获取读锁的线程是否应该被阻塞        r < MAX_COUNT && // 判断是否发生了溢出        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 直接CAS 增加state的高16位的读锁持有数量        // 增加高16位之前的计数为0，此时表明当前线程就是第一个获取读锁的线程        if (r == 0) {            // 注意：持有两个变量来优化threadlocal            firstReader = current;            firstReaderHoldCount = 1;       } else if (firstReader == current) {            // 当前获取读锁的线程就是一个线程，那么此时表明：锁重入，直接++计数位即可            firstReaderHoldCount++;       } else {            // 当前线程不是第一个读线程，此时将其获取读锁的次数保存在ThreadLocal中            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();            else if (rh.count == 0)                readHolds.set(rh);            rh.count++;       }        return 1;   }    // 有很多同学走到这里，直接懵逼？不知道这是啥情况？经验：在看doug lea写的代码时，请注意：经常做优化，就是把一些常见的场景前置，保证性能    return fullTryAcquireShared(current); }

fullTryAcquireShared完全获取读锁流程

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {    HoldCounter rh = null;    for (;;) {        int c = getState();        // 当前已经有线程获取到写锁且当前获取写锁的线程不是，当前线程        if (exclusiveCount(c) != 0) {            if (getExclusiveOwnerThread() != current)                return -1;       } else if (readerShouldBlock()) {            // 子类判断当前线程应该阻塞            if (firstReader == current) {                // 当前线程就是第一个获取到读锁的线程           } else {                // 获取到当前线程记录读锁重入次数的HoldCounter对象                if (rh == null) {                    rh = cachedHoldCounter;                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {                        rh = readHolds.get();                        if (rh.count == 0)                            readHolds.remove();                   }               }                // 当前读锁重入次数为0时，表明没有获取读锁，此时返回-1，阻塞当前线程                if (rh.count == 0)                    return -1;           }       }        // 读锁获取次数溢出        if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)            throw new Error("Maximum lock count exceeded");        // CAS增加读锁次数        if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {            if (sharedCount(c) == 0) {                firstReader = current;                firstReaderHoldCount = 1;           } else if (firstReader == current) {                firstReaderHoldCount++;           } else {                if (rh == null)                    rh = cachedHoldCounter;                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))                    rh = readHolds.get();                else if (rh.count == 0)                    readHolds.set(rh);                rh.count++;                cachedHoldCounter = rh;           }            return 1;       }   } }

tryRelease释放写锁的流程

protected final boolean tryRelease(int releases) {    // 没有获取写锁，为啥能释放写锁呢？    if (!isHeldExclusively())        throw new IllegalMonitorStateException();    int nextc = getState() - releases;    // 释放完毕后，写锁状态是否为0（锁重入），因为此时计算的不是当前state，是nextc    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;    // 如果下一个状态值为0，此时表明当前线程完全释放了锁，也即锁重入为0，那么将当前线程对象从OwnerThread中移除    if (free)        setExclusiveOwnerThread(null);    // 此时设置全局state变量即可    setState(nextc);    // 如果返回为true，那么由AQS完成后面线程的唤醒    return free; }

tryReleaseShared释放读锁的流程

释放时，需要考虑：重入多少次，就释放多少次。总结：先完成自己的释放，然后再完成共享的高16位的释放。

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {    Thread current = Thread.currentThread();    // 当前线程是第一个获取到读锁的线程    if (firstReader == current) {        // 当前重入次数为1，代表什么？代表可以直接释放，如果不是1，那么表明还持有多个读锁，也即重入多次，那么直接--        if (firstReaderHoldCount == 1)            firstReader = null;        else            firstReaderHoldCount--;   } else {        HoldCounter rh = cachedHoldCounter;        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))            rh = readHolds.get();        int count = rh.count;        if (count <= 1) {            // 当前线程已经释放完读锁，那么不需要在ThreadLocal里持有HoldCounter对象            readHolds.remove();            if (count <= 0)                throw unmatchedUnlockException();       }        --rh.count;   }    for (;;) {        // CAS释放高16位计数        int c = getState();        int nextc = c - SHARED_UNIT;        if (compareAndSetState(c, nextc))            // 释放完毕后是否为0，为无锁状态，此时需要干啥？由AQS来唤醒阻塞的线程            return nextc == 0;   } }

readerShouldBlock和writerShouldBlock模板方法公平锁实现

判断条件只有一个：hasQueuedPredecessors()方法，就是看看AQS的阻塞队列里是否有其他线程正在等待，如果有排队去。

总结：有人在排队，那么不插队。w->r->r->r 此时来了个r：w->r->r->r->r， 此时来了个w：w->r->r->r->w。

static final class FairSync extends Sync {    final boolean writerShouldBlock() {        return hasQueuedPredecessors();   }    final boolean readerShouldBlock() {        return hasQueuedPredecessors();   } // w->r->r   r获取锁 w->r->r-r }

readerShouldBlock和writerShouldBlock模板方法非公平锁实现

写线程永远false，因为读写锁本身适用的是读多写少，此时不应该 让写线程饥饿，而且非公平，写锁永远不阻塞，让它抢，不管前面是否有人排队，先抢了再说。apparentlyFirstQueuedIsExclusive()第一个排队的是不是写线程。r(10)，当前线程是第十一个，此时已经有一个写线程排队，r(10)->w，此时排队去。r(10)->w->r。

static final class NonfairSync extends Sync {    final boolean writerShouldBlock() {        return false;   }    final boolean readerShouldBlock() {        return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();   } // w->r->r   r获取锁 r->r->r }

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