Java中的ReentrantLock实现原理

Java中的ReentrantLock实现原理

在并发编程中，线程安全问题一直是非常重要的问题。Java中提供了多种解决线程安全问题的机制，其中一个比较常用的就是ReentrantLock。本文将介绍ReentrantLock的实现原理，从原子性、可见性等方面解释并结合源码分析，以便更好地理解在多线程环境下实现线程安全的过程。

ReentrantLock概述

ReentrantLock是Java并发包下的一个类，它提供了与synchronized关键字类似的功能，可以实现对共享资源的访问控制，从而保证线程安全。相比于synchronized关键字，ReentrantLock需要更为复杂的使用方式，但是其灵活性更强，同时可以支持更高级别的需求。

ReentrantLock的构造函数可以接受一个参数fair，表示是否采用公平锁方式，默认为false，即非公平锁。

为什么需要ReentrantLock

synchronized关键字是Java中最基本的线程同步机制，其优点是简单易用，但是其缺点也是显而易见的。由于synchronized关键字是Java语言级别的，因此其性能较差，且不容易进行灵活的定制。当需要使用比较复杂的同步机制时，synchronized关键字就显得力不足。

而ReentrantLock通过提供可定制的同步机制，弥补了synchronized关键字的缺点。ReentrantLock的使用方式更为灵活，支持多种同步策略，可以很好地满足不同的需求。同时，由于ReentrantLock是基于Java并发包中的API实现的，因此它的运行效率较高。

ReentrantLock实现原理

ReentrantLock的实现原理可以分为两个方面，即锁的获取和锁的释放。

锁的获取

在ReentrantLock中，锁的获取是通过调用lock()方法来实现的。其核心思想是：当一个线程请求一个未被锁定的ReentrantLock时，该线程将获得锁并进入临界区，阻止其他线程进入临界区；当另一个线程请求相同的锁时，如果该锁已经被另一个线程占用，则该线程会被阻塞，并一直等待直到该锁被释放后才能重新尝试获取该锁。

但是，ReentrantLock的获取锁过程并不是简单地采用同步机制来实现的，而是涉及到一些底层的机制。具体来说，ReentrantLock采用了以下三种机制来实现锁的获取：

1. 原子性

在ReentrantLock的实现中，对于每个线程来说都会有一个state变量，其代表当前线程获取到的锁重入次数。当一个线程首次获取锁时，state的值为0。如果该线程再次获取锁，state的值就会增加1。相应地，当该线程释放锁时，state值将减少1。

这样一来，在ReentrantLock中，锁的获取过程就涉及到了原子性的问题。因此，ReentrantLock使用了CAS（Compare and Swap）机制来确保锁的获取操作是原子性的。简单来说，CAS机制就是在多线程环境下，当多个线程同时尝试修改同一个变量时，只有一个线程能够成功修改，其他线程将被阻塞。

2. 可重入性

在ReentrantLock中，还需要支持可重入性，即一个线程可以多次获取同一个锁。为了实现这个功能，ReentrantLock会为每个线程记录已经获取到的锁的状态信息，并确保在释放所有已获取的锁之前不允许其他线程获取这些锁。因此，ReentrantLock的可重入性是通过这种方式实现的。

3. 队列机制

除了原子性和可重入性外，ReentrantLock还采用了队列机制来确保锁的获取顺序。具体来说，当多个线程请求同一把锁时，它们会被加入到一个FIFO队列中。锁的所有者会在释放锁时，唤醒队列中的下一个线程，从而实现锁的获取顺序。

锁的释放

与锁的获取不同，锁的释放过程相对简单。在ReentrantLock中，锁的释放是通过调用unlock()方法来实现的。具体来说，当一个线程调用unlock()方法释放锁时，ReentrantLock会将该线程的state值减少1，如果state值变为0，则锁被完全释放，并允许其他线程尝试获取该锁。

ReentrantLock源码分析

通过上述的介绍，我们可以初步了解ReentrantLock的实现原理。现在，我们再来结合源码分析，更深入地理解ReentrantLock的工作原理。

构造函数

首先，我们来看一下ReentrantLock的构造方法：

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

在构造函数中，ReentrantLock随机选择了一种同步机制，即公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync）。这两种同步机制都是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现的。

• 公平锁（FairSync）：采用先进先出的队列机制，将等待时间最长的线程先获取锁，从而保证了不产生饥饿现象。
• 非公平锁（NonfairSync）：直接将获取锁请求分配给任意一个等待线程。

上述两种机制各有优缺点，ReentrantLock结合实际情况进行选择。

锁的获取

在ReentrantLock中，锁的获取过程是通过调用lock()方法来实现的。我们来看一下NonfairSync的lock()方法实现：

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

在上面的代码中，首先会对state值进行CAS操作，如果state的值为0，则当前线程获取到锁，并将state值设置为1；否则调用acquire()方法实现锁的获取。

在NonfairSync中，acquire()方法的实现如下：

final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

该方法首先会调用tryAcquire()方法尝试获取锁。如果tryAcquire()返回false，则调用acquireQueued()方法将当前线程加入到等待队列中，并自旋等待获取锁。

如果当前线程成功获取锁，则会调用setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread())方法将当前线程设置为该锁的所有者。

需要注意的是，当一个线程尝试获取锁时如果失败了，则该线程不会立即被加入到等待队列中，而是会自旋一定的次数（默认是10次），然后重新尝试获取锁。这种方式可以有效地减少加入等待队列的线程数量，从而提高程序的性能。

锁的释放

在ReentrantLock中，锁的释放是通过调用unlock()方法来实现的。具体来说，我们来看一下NonfairSync的unlock()方法实现：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

public final void unlock() {
    release(1);
}

在上述代码中，ReentrantLock首先会调用tryRelease()方法来释放锁。如果当前线程并非该锁的所有者，则抛出IllegalMonitorStateException异常。如果当前线程成功释放了锁，则将该锁的所有者设置为null，并将state值更新为0。

需要注意的是，在调用unlock()方法释放锁时并没有使用synchronized关键字或者其他同步机制，而是通过调用tryRelease()方法来实现的。

小结

ReentrantLock是Java并发包下的一个基本类，它通过提供灵活的同步机制来保证线程安全。ReentrantLock的实现原理涉及到一些底