Java从版本5开始，在java.util.concurrent.locks包内给我们提供了除了synchronized关键字以外的几个新的锁功能的实现，ReentrantLock就是其中的一个。但是这并不意味着我们可以抛弃synchronized关键字了。

在这些锁实现之前，如果我们想实现锁的功能，只能通过synchronized关键字，例子如下：

private static volatile int value;
public static void main() {
        Runnable run = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    increaseBySync();
                }
            }
        };
        
        Thread t1 = new Thread(run);
        Thread t2 = new Thread(run);
        t1.start();
        t2.start();
        
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(value);
}
    
private static synchronized int increaseBySync() {
        return value++;
}

有了ReentrantLock之后，我们可以这样写：

private static volatile int value;
    
private static Lock lock = new ReentrantLock();
    
public static void main(String[] args) {
         testIncreaseWithLock();
}
    
public static void main() {
        Runnable run = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock.lock();
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                        value++;
                    }
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        };
        
        Thread t1 = new Thread(run);
        Thread t2 = new Thread(run);
        t1.start();
        t2.start();
        
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(value);
}

以上两段代码都可以实现value值同步自增1，并且value都能得到正确的值2000。下面我们就来分析下ReentrantLock有哪些功能以及它底层的原理。

可重入锁

从名字我们就可以看出ReentrantLock是可重入锁。可重入锁是指当某个线程已经获得了该锁时，再次调用lock()方法可以再次立即获得该锁。

举个例子，当某个线程在执行methodA()时，假设已经获得了锁，这是当它执行到methodB()时可以立即获得methodB里面的锁，因为两个方法是调用的同一把锁。

private static Lock lock = new ReentrantLock();

public static void methodA(){
        try{
            lock.lock();
            //dosomething
            methodB();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void methodB(){
        try{
            lock.lock();
            //dosomthing
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }

synchronized也是可重入锁，有兴趣的同学可以自己写个例子测试下。

公平锁

通过源码我们可以看到ReentrantLock支持公平锁，并且默认是非公平锁。

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

下面是非公平锁和公平锁的lock()方法实现，从两个lock()方法我们可以看到，它们的不同点是在调用非公平锁的lock()方法时，当前线程会尝试去获取锁，如果获取失败了则调用acquire(1)方法入队列等待；而调用公平锁的lock()方法当前线程会直接入队列等待（acquire方法涉及到AQS下面会讲到）。

//ReentrantLock源码，非公平锁
final void lock() {
     if (compareAndSetState(0, 1))
         setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
     else
         acquire(1);
}
//ReentrantLock源码，公平锁
final void lock() {
      acquire(1);
}

而synchronized是一个非公平锁。

超时机制

ReentrantLock还提供了超时机制，当调用tryLock()方法，当前线程如果获取锁失败会立刻返回；而当调用带参tryLock()方法时，当前线程如果在设置的timeout时间内未获得锁，也会立刻返回。而这些功能背后主要是依赖AQS实现的。

//ReentrantLock源码
public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
//ReentrantLock源码
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

synchronized没有这个功能。

可被中断

ReentrantLock有一个lockInterruptibly()方法，它会最终调用AQS的两个方法：

AQS方法一中如果当前线程被中断则抛出InterruptedException，否则尝试去获取锁，获取成功则返回，获取失败则调用aqs方法二doAcquireInterruptibly()。

AQS方法二中在for循环线程自旋中也会判断当前线程是否被标记为中断，如果是也会抛出InterruptedException。

doAcquireInterruptibly()的细节我们在下面讲解AQS的时候会重点介绍，它和doAcquire()方法很类似，唯一区别是会抛出InterruptedException。

//lock方法
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
}

//aqs方法一
public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
}
//aqs方法二
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
}

AQS（AbstractQueueSynchronizer）

AQS是一个基于队列的同步器，它是一个抽象类，主要提供了多线程获取锁时候的排队等待和激活机制，ReentrantLock内部有两个基于AQS实现的子类，分别针对公平锁和非公平锁做了支持。

下面我们以公平锁为例，讲解下ReentrantLock是如何依赖AQS实现其功能的。获得锁涉及到的主要源代码和解释如下：

//AQS源码，公平锁的lock()方法会直接调用该方法
//这里当前如果获取失败会调用acquireQueued方法
//addWaiter方法主要是将当前线程加入AQS内部队列的尾部
public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
}
//ReentrantLock中实现公平锁的AQS子类的方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //c == 0表示当前AQS为初始状态，可以尝试获取锁， 如获取成功则返回true
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
           // 只有当前线程是已经获取了该锁的线程才能再次获取锁（可重入锁）并返回true
            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获取失败
            return false;
}
//AQS源码
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
               //这里如果当前线程对应的队列里的Node的前置Node是head，则尝试获取锁，并成功返回
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                //shouldParkAfterFailedAcquire方法标记当前线程Node的前置Node的waitStatus为SIGNAL，意思是当你从队列移除时记得要唤醒我哦
               //parkAndCheckInterrupt方法会让当前线程挂起，停止自旋，免得白白浪费CPU资源
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
}

假设现在有线程A、B、C同时去获取同一把锁，大概的流程是这样的，这里假设线程A获得锁并成功返回，线程B和C则依次调用上面的方法，进入AQS的等待队列并最终被挂起。

这时线程A做完自己该做的事情了，它在finally块中调用了unlock方法，这时我们再看下相关的源代码。

//AQS源码，当前线程在释放锁的同时，会判断它所在Node的waitStatus有没有被它的后继结点标记，如果被标记了，那就唤醒后继结点对应的线程
public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
}
//AQS源码，主要关注最下面LockSupport.unpark(s.thread)，唤醒后继结点线程
private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
}

线程A释放锁时，会唤醒head结点的后继结点也就是线程B，此时线程B就可以继续for循环里面自旋并成功获得锁了。

unsafe相关

之前介绍AtomicInteger的时候提到Unsafe对象，AtomicInteger用到了Unsafe对象的CAS功能（底层是cpu提供的功能）。

ReentrantLock除了用到了CAS之外，还用到了Unsafe的pack和unpack两个方法（LockSupport当中），除了性能更好之外，它可以精确的唤醒某一个线程。

Demo代码位置

src/main/java/net/weichitech/juc/ReentrantLockTest.java · 小西学编程/java-learning - Gitee.com

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