AQS-用配钥匙和保险箱理解可重入锁（ReentrantLock）

程序员文章站 2022-06-04 14:21:24

...

今天我们来学习可重入排他锁，它同样是JUC包下使用AQS同步框架来实现的，因此代码比较简洁，只要了解了AQS的原理那么就会觉得it is so easy。

1 怎么理解可重入锁

排他，说明锁只能被一人占有（就类似信号量（semaphore）为1，每一时刻只能有一人拥有）。可重入，同一个人可以多次使用同一资源，这非常合理。试想一下，当一只保险箱的钥匙归你所属后，难道你不能再去锁匠那再配一把来开箱子吗？在这个法制社会里，钥匙是你的，那你去配钥匙肯定是合法的，至于你为什么要配钥匙呢？一家人嘛，不过我相信你不可能把备份钥匙给别人用的吧，毕竟保险箱的东西可都是你们一家人，如果给了别人一份备用钥匙，那就不可想象喽。（这个和信号量有区别，信号量是每次使用都是需要获取凭证的，它可不管你们是不是一家人。不过其主要原因是两者关注点不同：信号量主要是关注的进入的量多少，而锁是为了保护资源的0安全，而为了安全，需要怎么做呢？当然确保是一家人喽）。

2 可重入锁（ReentrantLock）的condition

在分析源码之前，我们先简单来讲一下condition。Java Lock接口定义中有一个newCondition()方法，返回condition，而这个condition要实现的效果就类似于java中的wait/notify一致。也就是说这个condition的出现其实就是为了替代它（因为使用这个经常出错）。这里我们简单讲一下原理，有兴趣的小伙伴可以自行看一下源码，这里不再赘述：由于它还是使用了AQS的框架（其内部保持着一个同步队列，可以获取锁），那么为了实现等待和唤醒，它又增加了一个等待队列，当调用await方法时，节点加入到这个等待队列中。而当调用signal方法时，只要把节点从等待队列中拿出来再放到同步队列中，让其有机会去获取锁了，condition这个实现逻辑非常的清晰，也非常简洁，可见功底非同一般（T_T 我什么时候能达到这个程度啊）。

顺带提几句：

虽然这个方法可以很方便的实现生产者/消费者模型，但是java JUC包下其实已经有一个类（就是使用了ReentrantLock的condition）实现其功能了：LinkedBlockingQueue类（嘻嘻，没想到吧。）
在AQS-用团购的方式理解闭锁（CountDownLatch）这篇文章中我们有提到过能实现类似的功能的CyclicBarrier，其原理也用到了这个condition。感兴趣的小伙伴们可以去看看其实现哦。

3 可重入锁（ReentrantLock）源码分析

现在我们来看看锁的源码吧。对于锁而言，我们常用的方法有lock和unlock.。我们以开保险箱的情景来描述一下其实现。

构造函数：

// 规定一下，拿钥匙的排队规则：是否需要严格排队。
// 默认是false（吞吐量更大，因为公平锁带来更多上下文切换）。
 public ReentrantLock(boolean fair)

**Fair:**是否公平。和之前讲的信号量等类似，如果安全，则人必须按照排队的顺序来拿钥匙，否则后面来的人也有机会获取锁。

Lock 获取锁：(也可能是配锁)：

 public void lock() {
        sync.lock();
    }

// 以非公平为例,公平的逻辑与信号量实现一致 会先判断是否前面有人排队，
final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))  // 尝试获取原装锁                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());  // 标记是谁获取锁的人
            else
                acquire(1);   // 实际调用tryAcquire方法
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }

 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {  // 尝试获取锁
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {  // 可重入逻辑
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 钥匙是会用坏的，次数有点多了。
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

当人获取锁后呢，会记录下锁的拥有者。为什么要记录呢？当然是为了方便下一次这个家庭的人要使用保险箱，要拿钥匙需要去锁匠那里再配一把。具体分析一下代码：

if (compareAndSetState(0, 1))： 尝试获取原装锁。

**setExclusiveOwnerThread(current): **记录获取钥匙的人，其实就是宝箱现在属于这个家庭了

**else if (current == getExclusiveOwnerThread()) ：**是不是钥匙的所属人一个家庭的，是的话他可以重新配一把钥匙哦。同时之后要记录保险箱一共有多少把钥匙了（方便后面归还，法制社会要保证保险箱绝对安全，必须所有钥匙都归还）。

锁的释放：（保险箱钥匙要传承给别人了，可是这么多钥匙都要还啊，不然谁知道你会不会后面来偷开别人的宝箱呢）

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

protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;  // 释放了钥匙，还有几把在外面没有还
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {   // 钥匙全还了
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null); // 把宝箱所属人清空。
            }
            setState(c);
            return free;
        }