Java中的显示锁ReentrantLock使用与原理详解

考虑一个场景，轮流打印0-100以内的技术和偶数。通过使用 synchronize 的 wait，notify机制就可以实现，核心思路如下：
使用两个线程，一个打印奇数，一个打印偶数。这两个线程会共享一个数据，数据每次自增，当打印奇数的线程发现当前要打印的数字不是奇数时，执行等待，否则打印奇数，并将数字自增1，对于打印偶数的线程也是如此

//打印奇数的线程
private static class oldrunner implements runnable{
  private mynumber n;

  public oldrunner(mynumber n) {
    this.n = n;
  }

  public void run() {
    while (true){
      n.waittoold(); //等待数据变成奇数
      system.out.println("old:" + n.getval());
      n.increase();
      if (n.getval()>98){
        break;
      }
    }
  }
}
//打印偶数的线程
private static class evenrunner implements runnable{
  private mynumber n;

  public evenrunner(mynumber n) {
    this.n = n;
  }

  public void run() {
    while (true){
      n.waittoeven();      //等待数据变成偶数
      system.out.println("even:"+n.getval());
      n.increase(); 
      if (n.getval()>99){
        break;
      }
    }
  }
}

共享的数据如下

private static class mynumber{
  private int val;

  public mynumber(int val) {
    this.val = val;
  }

  public int getval() {
    return val;
  }
  public synchronized void increase(){
    val++;
    notify(); //数据变了，唤醒另外的线程
  }
  public synchronized void waittoold(){
    while ((val % 2)==0){
      try {
        system.out.println("i am "+thread.currentthread().getname()+" ,but now is even:"+val+",so wait");
        wait(); //只要是偶数，一直等待
      } catch (interruptedexception e) {
        e.printstacktrace();
      }
    }
  }
  public synchronized void waittoeven(){
    while ((val % 2)!=0){
      try {
        system.out.println("i am "+thread.currentthread().getname()+" ,but now old:"+val+",so wait");
        wait(); //只要是奇数，一直等待
      } catch (interruptedexception e) {
        e.printstacktrace();
      }
    }
  }
}

运行代码如下

mynumber n = new mynumber(0);
thread old=new thread(new oldrunner(n),"old-thread");
thread even = new thread(new evenrunner(n),"even-thread");
old.start();
even.start();

运行结果如下

i am old-thread ,but now is even:0,so wait
even:0
i am even-thread ,but now old:1,so wait
old:1
i am old-thread ,but now is even:2,so wait
even:2
i am even-thread ,but now old:3,so wait
old:3
i am old-thread ,but now is even:4,so wait
even:4
i am even-thread ,but now old:5,so wait
old:5
i am old-thread ,but now is even:6,so wait
even:6
i am even-thread ,but now old:7,so wait
old:7
i am old-thread ,but now is even:8,so wait
even:8

上述方法使用的是 synchronize的 wait notify机制，同样可以使用显示锁来实现，两个打印的线程还是同一个线程，只是使用的是显示锁来控制等待事件

private static class mynumber{
  private lock lock = new reentrantlock();
  private condition condition = lock.newcondition();
  private int val;

  public mynumber(int val) {
    this.val = val;
  }

  public int getval() {
    return val;
  }
  public void increase(){
    lock.lock();
    try {
      val++;
      condition.signalall(); //通知线程
    }finally {
      lock.unlock();
    }

  }
  public void waittoold(){
    lock.lock();
    try{
      while ((val % 2)==0){
        try {
          system.out.println("i am should print old ,but now is even:"+val+",so wait");
          condition.await();
        } catch (interruptedexception e) {
          e.printstacktrace();
        }
      }
    }finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  public void waittoeven(){
    lock.lock(); //显示的锁定
    try{
      while ((val % 2)!=0){
        try {
          system.out.println("i am should print even ,but now old:"+val+",so wait");
          condition.await();//执行等待
        } catch (interruptedexception e) {
          e.printstacktrace();
        }
      }
    }finally {
      lock.unlock(); //显示的释放
    }

  }
}

同样可以得到上述的效果

显示锁的功能

显示锁在java中通过接口lock提供如下功能

lock: 线程无法获取锁会进入休眠状态，直到获取成功

• lockinterruptibly: 如果获取成功，立即返回，否则一直休眠到线程被中断或者是获取成功
• trylock：不会造成线程休眠，方法执行会立即返回，获取到了锁，返回true,否则返回false
• trylock(long time, timeunit unit) throws interruptedexception : 在等待时间内没有发生过中断，并且没有获取锁，就一直等待，当获取到了，或者是线程中断了，或者是超时时间到了这三者发生一个就返回，并记录是否有获取到锁
• unlock：释放锁
• newcondition：每次调用创建一个锁的等待条件，也就是说一个锁可以拥有多个条件

condition的功能

接口condition把object的监视器方法wait和notify分离出来，使得一个对象可以有多个等待的条件来执行等待，配合lock的newcondition来实现。

• await:使当前线程休眠，不可调度。这四种情况下会恢复 1：其它线程调用了signal，当前线程恰好被选中了恢复执行;2: 其它线程调用了signalall;3:其它线程中断了当前线程 4：spurious wakeup (假醒)。无论什么情况，在await方法返回之前，当前线程必须重新获取锁
• awaituninterruptibly:使当前线程休眠，不可调度。这三种情况下会恢复 1：其它线程调用了signal，当前线程恰好被选中了恢复执行;2: 其它线程调用了signalall;3：spurious wakeup (假醒)。
• awaitnanos:使当前线程休眠，不可调度。这四种情况下会恢复 1：其它线程调用了signal，当前线程恰好被选中了恢复执行;2: 其它线程调用了signalall;3:其它线程中断了当前线程 4：spurious wakeup (假醒)。5:超时了
• await(long time, timeunit unit) ：与awaitnanos类似，只是换了个时间单位
• awaituntil(date deadline):与awaitnanos相似，只是指定日期之后返回，而不是指定的一段时间
• signal:唤醒一个等待的线程
• signalall:唤醒所有等待的线程

reentrantlock

从源码中可以看到，reentrantlock的所有实现全都依赖于内部类sync和conditionobject。

sync本身是个抽象类，负责手动lock和unlock,conditionobject则实现在父类abstractownablesynchronizer中，负责await与signal

sync的继承结构如下

sync的两个实现类，公平锁和非公平锁

公平的锁会把权限给等待时间最长的线程来执行,非公平则获取执行权限的线程与线程本身的等待时间无关

默认初始化reentrantlock使用的是非公平锁，当然可以通过指定参数来使用公平锁

public reentrantlock() {
  sync = new nonfairsync();
}

当执行获取锁时，实际就是去执行 sync 的lock操作：

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

对应在不同的锁机制中有不同的实现

1、公平锁实现

final void lock() {
  acquire(1);
}

2、非公平锁实现

final void lock() {
  if (compareandsetstate(0, 1)) //先看当前锁是不是已经被占有了，如果没有，就直接将当前线程设置为占有的线程
    setexclusiveownerthread(thread.currentthread());
  else    
    acquire(1); //锁已经被占有的情况下，尝试获取
}

二者都调用父类abstractqueuedsynchronizer的方法

public final void acquire(int arg) {
  if (!tryacquire(arg) &&
    acquirequeued(addwaiter(node.exclusive), arg)) //一旦抢失败，就会进入队列，进入队列后则是依据fifo的原则来执行唤醒
    selfinterrupt();
}

当执行unlock时，对应方法在父类abstractqueuedsynchronizer中

public final boolean release(int arg) {
  if (tryrelease(arg)) {
    node h = head;
    if (h != null && h.waitstatus != 0)
      unparksuccessor(h);
    return true;
  }
  return false;
}

公平锁和非公平锁则分别对获取锁的方式tryacquire 做了实现，而tryrelease的实现机制则都是一样的

公平锁实现tryacquire

源码如下

protected final boolean tryacquire(int acquires) {
  final thread current = thread.currentthread();
  int c = getstate(); //获取当前的同步状态
  if (c == 0) {
    //等于0 表示没有被其它线程获取过锁
    if (!hasqueuedpredecessors() &&
      compareandsetstate(0, acquires)) {
      //hasqueuedpredecessors 判断在当前线程的前面是不是还有其它的线程，如果有，也就是锁sync上有一个等待的线程，那么它不能获取锁，这意味着，只有等待时间最长的线程能够获取锁，这就是是公平性的体现
      //compareandsetstate 看当前在内存中存储的值是不是真的是0，如果是0就设置成accquires的取值。对于java，这种需要直接操作内存的操作是通过unsafe来完成，具体的实现机制则依赖于操作系统。
      //存储获取当前锁的线程
      setexclusiveownerthread(current);
      return true;
    }
  }
  else if (current == getexclusiveownerthread()) {
    //判断是不是当前线程获取的锁
    int nextc = c + acquires;
    if (nextc < 0)//一个线程能够获取同一个锁的次数是有限制的，就是int的最大值
      throw new error("maximum lock count exceeded");
    setstate(nextc); //在当前的基础上再增加一次锁被持有的次数
    return true;
  }
  //锁被其它线程持有，获取失败
  return false;
}

非公平锁实现tryacquire

获取的关键实现为nonfairtryacquire,源码如下

final boolean nonfairtryacquire(int acquires) {
  final thread current = thread.currentthread();
  int c = getstate();
  if (c == 0) {
    //锁没有被持有
    //可以看到这里会无视sync queue中是否有其它线程，只要执行到了当前线程，就会去获取锁
    if (compareandsetstate(0, acquires)) { 
      setexclusiveownerthread(current); //在判断一次是不是锁没有被占有，没有就去标记当前线程拥有这个锁了
      return true;
    }
  }
  else if (current == getexclusiveownerthread()) {
    int nextc = c + acquires; 
    if (nextc < 0) // overflow      
      throw new error("maximum lock count exceeded");
    setstate(nextc);//如果当前线程已经占有过，增加占有的次数
    return true;
  }
  return false;
}

释放锁的机制

protected final boolean tryrelease(int releases) {
  int c = getstate() - releases;
  if (thread.currentthread() != getexclusiveownerthread()) //只能是线程拥有这释放
    throw new illegalmonitorstateexception();
  boolean free = false;
  if (c == 0) {
    //当占有次数为0的时候，就认为所有的锁都释放完毕了
    free = true; 
    setexclusiveownerthread(null);
  }
  setstate(c); //更新锁的状态
  return free;
}

从源码的实现可以看到

reentrantlock获取锁时，在锁已经被占有的情况下，如果占有锁的线程是当前线程，那么允许重入，即再次占有，如果由其它线程占有，则获取失败，由此可见，reetrantlock本身对锁的持有是可重入的,同时是线程独占的。

公平与非公平就体现在，当执行的线程去获取锁的时候，公平的会去看是否有等待时间比它更长的，而非公平的就优先直接去占有锁

reentrantlock的trylock()与trylock(long timeout, timeunit unit):

public boolean trylock() {
//本质上就是执行一次非公平的抢锁
return sync.nonfairtryacquire(1); 
}

有时限的trylock核心代码是 sync.tryacquirenanos(1, unit.tonanos(timeout));，由于有超时时间，它会直接放到等待队列中，他与后面要讲的aqs的lock原理中acquirequeued的区别在于park的时间是有限的，详见源码 abstractqueuedsynchronizer.doacquirenanos

为什么需要显示锁

内置锁功能上有一定的局限性，它无法响应中断，不能设置等待的时间

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。