通俗易懂的ReentrantLock

2021-06-18 05:59:05

前言

自己開的坑，跪著也要填完，歡迎來到Java併發程式設計系列第五篇ReentrantLock，文章風格依然是圖文並茂，通俗易懂，本文帶讀者們深入理解ReentrantLock設計思想。

認識下ReentrantLock

先帶讀者們和ReentrantLock見個面，簡單的認識下什麼是ReentrantLock。

ReentrantLock是可重入的互斥鎖，雖然具有與synchronized相同功能，但是會比synchronized更加靈活（具有更多的方法）。

ReentrantLock底層基於AbstractQueuedSynchronizer實現，AbstractQueuedSynchronizer在前一篇已經詳細解剖過了，本文不做過多描述，但是會簡單的介紹下，照顧小白。

AbstractQueuedSynchronizer抽象類定義了一套多執行緒訪問共享資源的同步模板，解決了實現同步器時涉及的大量細節問題，能夠極大地減少實現工作，用大白話來說，AbstractQueuedSynchronizer為加鎖和解鎖過程提供了統一的模板函數，只有少量細節由子類自己決定。

經過上述介紹，相信讀者們對ReentrantLock有了初步的印象，下面開始發車了~

ReentrantLock結構組成

學任何知識的第一件事，就是看清它的全貌，梳理出整體結構與主流程，之後逐個擊破，所以帶讀者們先看下ReentrantLock整體結構組成，對它的實現有個大致的瞭解。

上圖可以看出來，ReentrantLock整體結構還是非常簡單，給讀者們分析一波，為什麼ReentrantLock結構是這樣設計的，首先ReentrantLock實現了Lock介面，Lock介面是Java中對鎖操作行為的統一規範，遵守規則規範是守法公民的基本素養，合情合理，Lock介面的定義如下

Lock介面定義的函數不多，接下來ReentrantLock要去實現這些函數，遵循著解耦可擴展設計，ReentrantLock內部定義了專門的元件Sync， Sync繼承AbstractQueuedSynchronizer提供釋放資源的實現，NonfairSync和FairSync是基於Sync擴展的子類，即ReentrantLock的非公平模式與公平模式，它們作為Lock介面功能的基本實現。

大白話來說，企業的老闆，為了響應政府的政策，需要對企業內部做調整，但是政府每年政策都不一樣，每次都要自己去親力親為，索性長痛不如短痛，專門成立一個政策應對部門，以後這些事情都交予這個部門去做，老闆只需要指揮它們就好了。

ReentrantLock結構組成讀者們也清楚了，下面我只需對Sync、NonfairSync、FairSync逐個擊破，ReentrantLock自然水到渠成。

小貼士：在ReentrantLock中，它對AbstractQueuedSynchronizer的state狀態值定義為執行緒獲取該鎖的重入次數，state狀態值為0表示當前沒有被任何執行緒持有，state狀態值為1表示被其他執行緒持有，因為支援可重入，如果是持有鎖的執行緒，再次獲取同一把鎖，直接成功，並且state狀態值+1，執行緒釋放鎖state狀態值-1，同理重入多次鎖的執行緒，需要釋放相應的次數。

Sync

Sync可以說是ReentrantLock的親兒子，它寄託了全村的希望，完美的繼承了AbstractQueuedSynchronizer，是ReentrantLock的核心，後面的NonfairSync與FairSync都是基於Sync擴展出來的子類。

聽我吹完了Sync，下面就來看看Sync類定義的核心部分

我發現Sync有點偏心，首先Sync實現釋放資源的細節（A Q S留給子類實現的tryRelease），然後聲明瞭獲取鎖的抽象函數（lock），子類根據業務實現，目前看來還是很公平，但是Sync還定義了一個nonfairTryAcquire函數，這個函數是專門給NonfairSync使用的，FairSync卻沒有這種待遇，所以說Sync偏心。

Sync邏輯都比較簡單，實現了A Q S類的釋放資源（tryRelease），然後抽象了一個獲取鎖的函數讓子類自行實現（lock），再加一個偏心的函數nonfairTryAcquire，但是再怎麼簡單，圖還是要有的，這是我讀者們的福利。

下面放一張tryRelease流程圖，在後續的NonfairSync、FairSync都會有全面的流程。

NonfairSync

現在我們把視線轉移到NonfairSync，在ReentrantLock中支援兩種獲取鎖的策略，分別是非公平策略與公平策略，NonfairSync就是非公平策略。

此時讀者會有問道，什麼是非公平策略？

在說非公平策略前，先簡單的說下A Q S（AbstractQueuedSynchronizer）流程，A Q S為加鎖和解鎖過程提供了統一的模板函數，加鎖與解鎖的模板流程是，獲取鎖失敗的執行緒，會進入CLH佇列阻塞，其他執行緒解鎖會喚醒CLH佇列執行緒，如下圖所示（簡化流程）

上圖中，執行緒釋放鎖時，會喚醒CLH佇列阻塞的執行緒，重新競爭鎖，要注意，此時可能還有非CLH佇列的執行緒參與競爭，所以非公平就體現在這裡，非CLH佇列執行緒與CLH佇列執行緒競爭，各憑本事，不會因為你是CLH佇列的執行緒，排了很久的隊，就把鎖讓給你。

瞭解了什麼是非公平策略，我們再來看看NonfairSync類定義

NonfairSync繼承Sync實現了lock函數，lock函數也非常簡單，C A S設定狀態值state為1代表獲取鎖成功，否則執行A Q S的acquire函數（獲取鎖模板），另外NonfairSync還實現了A Q S留給子類實現的tryAcquire函數（獲取資源），這個被Sync寵幸的幸運兒，直接使用Sync提供的nonfairTryAcquire函數來實現tryAcquire，最後子類實現的tryAcquire函數在A Q S的acquire函數中被使用。

是不是有點繞？沒事帶大家一起縷一縷

首先A Q S的acquire函數是獲取鎖的流程模板，模板流程會先執行tryAcquire函數獲取資源，tryAcquire函數要子類實現，NonfairSync作為子類，實現了tryAcquire函數，具體實現是呼叫了Sync的nonfairTryAcquire函數。

接下來，我們再看看Sync專門給NonfairSync準備的nonfairTryAcquire函數邏輯

對上述程式碼邏輯做個簡單的概括，當前執行緒檢視資源是否可獲取：

可獲取，嘗試使用C A S設定state為1，C A S成功代表獲取資源成功，否則獲取資源失敗
不可獲取，判斷當執行緒是不是持有鎖的執行緒，如果是，state重入計數，獲取資源成功，否則獲取資源失敗

就兩句話，是不是十分簡單，雖然簡單但我還是畫了一張nonfairTryAcquire流程圖給讀者們觀賞

FairSync

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

所謂公平策略就是，嚴格按照CLH佇列順序獲取鎖，執行緒釋放鎖時，會喚醒CLH佇列阻塞的執行緒，重新競爭鎖，要注意，此時可能還有非CLH佇列的執行緒參與競爭，為了保證公平，一定會讓CLH佇列執行緒競爭成功，如果非CLH佇列執行緒一直佔用時間片，那就一直失敗（構建成節點插入到CLH隊尾，由A S Q模板流程執行），直到時間片輪到CLH佇列執行緒為止，所以公平策略的效能會更差。