一、简介
1.1 数据结构
ReetrantLock的底层是借助AbstractQueuedSynchronized实现，所以其数据结构依附于AbstractQueuedSynchronized的数据结构。
1.2 继承关系
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2public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable
ReetranLock实现了Lock接口，Lock接口中定义了lock与unlock相关操作，并且还存在newCondition方法，表示生成一个条件。
1.3 原理
ReentrantLock主要利用CAS+AQS队列来实现，它支持公平所和非公平锁，两者的实现类似：
先通过CAS尝试获取锁，如果此时已经有线程占据了锁，那就加入AQS队列并且被挂起。当锁释放之后，排在CLH队列队首的线程会被唤醒，然后CAS再次尝试获取锁。在这个时候：
- 非公平锁：如果同时还有另一个线程来尝试获取，那么有可能会让这个线程抢先获取
- 公平锁：如果同时还有另一个线程来尝试获取，当它发现自己不是在队首的话，就会排到队尾，由队首的线程获取到锁。
1.4 AQS
AQS是一个用于构建锁和同步容器的框架。concurrent包内许多类都是基于AQS构建，例如ReentrantLock，Semphore，CountDownLatch等，AQS解决了在实现同步容器时设计的大量细节问题。
AQS使用一个FIFO的队列表示排队等待锁的线程，队列头节点称为”哨兵节点“或”哑节点“，它不与任何线程关联。其他的节点与等待线程关联，每个节点维护一个等待状态waitStatus。
1.5 使用示例
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13private Lock lock = new ReentrantLock(); public void test(){ lock.lock(); try{ doSomeThing(); }catch (Exception e){ // ignored }finally { lock.unlock(); } }
二、源码分析
2.1 内部类
ReetrantLock总共有三个内部类，并且三个内部类是紧密相关的，三个类的关系如下：
说明：ReentrantLock类内部总共存在Sync、NonfairSync、FairSync三个类，NonfairSync与FairSync类继承自Sync类，Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer抽象类。下面逐个进行分析。
2.2 Sync类
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84//使用ASQ state来指示这个锁被持有了多少次 abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L; //获取锁 abstract void lock(); //非公平方式获取 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { //当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //获取状态 int c = getState(); if (c == 0) {//表示没有线程正在竞争该锁 //CAS设置成功，状态0表示锁没有被占用 if (compareAndSetState(0, acquires)) { //设置当前线程独占 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //当前线程拥有该锁 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //增加重入次数 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); //设置状态 setState(nextc); return true; } return false; } //试图在共享模式下获取对象状态，此方法应该查询是否允许它在共享模式下获取对象状态，如果允许，则获取它 protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; //当前线程不为独占线程 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } //判断资源是否被当前线程占有 protected final boolean isHeldExclusively() { // While we must in general read state before owner, // we don't need to do so to check if current thread is owner return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread(); } final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject(); } // Methods relayed from outer class //返回资源的占用线程 final Thread getOwner() { return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread(); } final int getHoldCount() { return isHeldExclusively() ? getState() : 0; } final boolean isLocked() { return getState() != 0; } /** * Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it). */ private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { s.defaultReadObject(); setState(0); // reset to unlocked state } }
Sync类方法和作用如下：
| 方法 | 作用 |
|---|---|
| lock | 锁定，并未实现，留给具体子类实现 |
| nonfairTryAcquire | 非公平方式获取 |
| tryRelease | 试图在共享模式下获取对象状态，此方法应该查询是否允许它在共享模式下获取对象状态，如果允许，则获取它 |
| isHeldExclusively | 判断资源是否被当前线程占有 |
| newCondition | 新生一个条件 |
| getOwner | 返回占有资源的线程 |
| getHoldCount | 返回状态 |
| isLocked | 资源是否被占用 |
| readObject | 自定义反序列化逻辑 |
2.3 NonfairSync类
NonfairSync类继承了Sync类，采用非公平策略获取锁，其实现了Sync类中抽象的lock方法，具体实现如下：
首先用一个CAS操作，判断state是否为0（表示当前锁未被占用），如果是0则把它置为1，并且设置当前线程为该锁的独占线程，表示获取锁成功。当多个线程同时尝试占用同一个锁时，CAS操作只能保证一个线程操作成功，剩下的线程就进入等待队列。
“非公平性”也就体现在这里，如果占用锁的线程刚释放锁，state置为0，而排队等待锁的线程还未唤醒时，新来的线程就直接抢占了该锁，那么就“插队“了
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10// 获得锁 final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) // 把当前线程设置独占锁 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else // 锁已经被占用，或者set失败 // 以独占模式获取对象，忽略中断 acquire(1); }
若当前有三个线程去竞争锁，假设线程A的CAS操作成功了，拿到了锁返回，那么线程B和C则设置state失败，进入else，执行acquire方法
2.3.1 acquire在AQS中实现
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6public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
2.3.1.1 acquire第一步：尝试获取锁，如果获取锁成功，方法直接返回
tryAcquire的实现
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4protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); }
这里调用了nonfairTryAcquire
nonfairTryAcquire的实现
整个流程是：
检查state字段，若为0，表示锁未被占用，那么尝试占用，若不为0，检查当前锁是否被自己占用，若被自己占用，则更新state字段，表示重入锁的次数，如果以上两点都没有成功，则获取锁失败，返回false
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30/** * Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in * subclasses, but both need nonfair try for trylock method. */ final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { //获取当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); //获取state变量 int c = getState(); //没有线程占用锁的情况 if (c == 0) { //占用锁成功，设置独占线程为当前线程 if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //当前线程已经占用该锁 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); //更新state值为新的重入次数 setState(nextc); return true; } //获取锁失败 return false; }
2.3.1.2 acquire第二步：入队
由上面可知，线程A已经占用了锁，所以B和C执行tryAcquire失败，并且进入等待队列。
addWaiter实现：
addWaiter函数是在AQS中实现的
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20//将新节点和当前线程关联并且入队列 private Node addWaiter(Node mode) { //初始化节点，设置关联线程和模式（独占or共享） Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure Node pred = tail; //尾节点不为空，说明队列已经初始化过 if (pred != null) { node.prev = pred; //设置新节点为尾节点 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //尾节点为空，说明队列还未初始化，需要初始化head节点并入对新节点 enq(node); return node; }
此时B、C线程同时尝试入队列，由于队列尚未初始化，tail==null，故至少会有一个线程走到enq（node）。我们假设这两个线程同时走到了enq（node）里。
2.1.2.5 enq
这里体现了经典的自旋+CAS操作来实现非阻塞的原子操作。由于compareAndSetHead的实现使用了unsafe类提供的CAS操作，所以只有一个线程会创建head节点成功。假设线程B成功，之后B、C开始第二轮循环，此时tail不为空，两个线程都走到else里面。假设B线程compareAndSetTail成功，那么B就可以返回了，C由于入队失败还需要第三轮循环。最终所有线程都可以成功入队
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17private Node enq(final Node node) { //开始自旋 for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
当B、C入队后，此时AQS队列如下：
2.3.1.2 acquire第二步：挂起
此时B和C相继执行acquireQueued(final Node node, int arg)。这个方法让已经入队的线程尝试获取锁，若失败则会被挂起
。
acquireQueued实现：
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33//已经入队的线程尝试获取锁 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { //表示是否成功获取锁 boolean failed = true; try { //标记线程是否被中断过 boolean interrupted = false; for (;;) { //获取前驱节点 final Node p = node.predecessor(); //如果前驱结点是head，即该结点已经成为老二，那么便有资格去尝试获取锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { //获取成功，将当前结点设置为head结点 setHead(node); //原head结点出队，在某个时间点被GC回收 p.next = null; // help GC //获取成功 failed = false; //返回是否被中断过 return interrupted; } //判断获取失败后是否可以挂起，若可以挂起 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) //线程若被中断，设置interrupted为true interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
假设B和C在竞争锁的过程中A一直持有锁，那么它们的tryAcquire操作都会失败，因此会走到第二个if语句中。接下来看下shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt都做了哪些事
shouldParkAfterFailedAcquire实现：
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30//判断当前线程获取锁失败之后是否需要挂起 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { //前驱结点的状态 int ws = pred.waitStatus; //前驱结点状态为signal，返回true if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; //前驱结点状态为CANCELLED if (ws > 0) { //从队尾向前寻找第一个状态不为CANCELLED的节点 do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /* * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we * need a signal, but don't park yet. Caller will need to * retry to make sure it cannot acquire before parking. */ //将前驱结点的状态设置为SIGNAL compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
parkAndCheckInterrupt实现：
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6//挂起当前线程，返回线程中断状态并重置 private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); }
线程入队后能够挂起的前提是，它的前驱结点的状态为SIGNAL，它的含义是”Hi，前面的兄弟，如果你获取锁并且出队后，记得把我唤醒！“。所以shouldParkAfterFailedAcquired会先判断当前结点的前驱结点是否状态符合要求，若符合则返回true，然后调用parkAndCheckInterrupt，将自己挂起。如果不符合，再看前驱结点是否>0（CANCELLED），若是那么向前遍历直到找到第一个符合要求的前驱，若不是则将前驱结点的状态设置为SIGNAL。
整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心挂起，需要去找个安心的挂起点，同时可以再尝试下看有没有机会去竞争锁。
最终队列可能如下图所示：
2.3.2 unlock()
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4public void unlock() { sync.release(1); }
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10public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
解锁的过程相比加锁容易很多。流程大致为先尝试释放锁，若释放成功，那么查看头节点的状态是否为SIGNAL，如果是则唤醒头结点的下个结点关联的线程，如果释放失败那么返回false表示解锁失败。这里我们可以发现，每次都只唤起头节点的下一个结点关联的线程。
最后看下tryRelease的执行过程：
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13protected 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; }
这里入参为1，tryRelease的过程为：当前释放锁的线程若不持有锁，则抛出异常，若持有锁，计算释放后的state值是否为0，若为0表示锁已经被成功释放，并且清空独占线程，最后更新state值，返回free
以下用一张流程图总结了非公平锁的获取锁的过程
2.4 FairSyn类
公平锁和非公平锁的不同之处在于，公平锁在获取锁的时候，不会先去检查state状态，而是直接执行acquire(1)
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37// 公平锁 static final class FairSync extends Sync { // 版本序列化 private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; final void lock() { // 以独占模式获取对象，忽略中断 acquire(1); } // 尝试公平获取锁 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 获取当前线程 final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取状态 int c = getState(); if (c == 0) { // 状态为0 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { // 不存在已经等待更久的线程并且比较并且设置状态成功 // 设置当前线程独占 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 状态不为0，即资源已经被线程占据 // 下一个状态 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // 超过了int的表示范围 throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 设置状态 setState(nextc); return true; } return false; } }
跟踪lock方法的源码可知，当资源空闲时，它总是会先判断sync队列（AbstractQueuedSynchronizer中的数据结构）是否有等待时间更长的线程，如果存在，则将该线程加入到等待队列的尾部，实现了公平获取原则。其中，FairSync类的lock的方法调用如下，只给出了主要的方法。
可以看出只要资源被其他线程占用，该线程就会添加到sync queue中的尾部，而不会先尝试获取资源。这也是和Nonfair最大的区别，Nonfair每一次都会尝试去获取资源，如果此时该资源恰好被释放，则会被当前线程获取，这就造成了不公平的现象，当获取不成功，再加入队列尾部。
三、使用实例
3.1 公平锁
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38import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class test { public static void main(String[] args) throws Exception { Lock lock=new ReentrantLock(true); MyThread t1=new MyThread("t1",lock); MyThread t2=new MyThread("t2",lock); MyThread t3=new MyThread("t3",lock); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } } class MyThread extends Thread{ private Lock lock; public MyThread(String name,Lock lock){ super(name); this.lock=lock; } public void run(){ lock.lock(); try{ System.out.println(Thread.currentThread()+" running"); try{ Thread.sleep(500); }catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }finally { lock.unlock(); } } }
运行结果（某一次）：
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4Thread[t1,5,main] running Thread[t2,5,main] running Thread[t3,5,main] running
该示例使用的是公平策略，由结果可知，可能回存在如下一种时序：
说明：首先，t1线程的lock操作 -> t2线程的lock操作 -> t3线程的lock操作 -> t1线程的unlock操作 -> t2线程的unlock操作 -> t3线程的unlock操作。根据这个时序图来进一步分析源码的工作流程。
- t1线程执行lock.lock，下图给出了方法调用中的主要方法
说明：由调用流程可知，t1线程成功获取了资源，可以继续执行 - t2线程执行lock.lock，下图给出了方法调用中的主要方法
说明：由上图可知，最后的结果是t2线程会被禁止，因为调用了LockSupport.park - t3线程执行lock.lock，下图给出了方法调用中的主要方法
- t1线程调用了lock.unlock，下图给出了方法调用中的主要方法
说明：如上图所示，最后，head的状态会变为0，t2线程会被unpark，即t2线程可以继续运行。此时t3线程还是被禁止。 - t2获得CPU资源，继续运行，由于t2之前被park了，现在需要恢复之前的状态，下图给出了方法调用中的主要方法
说明：在setHead函数中会将head设置为之前head的下一个结点，并且将pre域与thread域都设置为null，在acquireQueued返回之前，sync queue就只有两个结点了。 - t2执行lock.unlock，下图给出了方法调用中的主要方法。
说明：由上图可知，最终unpark t3线程，让t3线程可以继续运行。
7. t3线程获取cpu资源，恢复之前的状态，继续运行。
8. t3执行lock.unlock，下图给出了方法调用中的主要方法
说明：最后的状态和之前的状态是一样的，队列中有一个空节点，头结点为尾节点均指向它。
参考
最后
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