ReentrantLock

ReentrantLock可以创建公平锁或非公平锁、响应中断、超时等待、按条件唤醒等。

在某些场景下，使用ReentrantLock更适合，功能更强大。

源码解析

类结构

// 实现Lock接口
public class ReentrantLock implements Lock {

    // 只有一个Sync同步变量
    private final Sync sync;

    // Sync继承自AQS，主要逻辑都在这里面
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    }

    // Sync的两个子类，分别实现了公平锁和非公平锁
    static final class FairSync extends Sync {
    }
    static final class NonfairSync extends Sync {
    }
}

ReentrantLock的类结构非常简单，并没有直接继承AQS抽象类，而是实现了Lock接口。

采用组合的方式使用Sync同步类实现锁的功能，而Sync同步类才是真正继承AQS抽象类。

Sync抽象类下面有两个子类，分别实现公平锁和非公平锁。

public interface Lock {

    // 加锁
    void lock();

    // 加可中断的锁
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    // 尝试加锁
    boolean tryLock();

    // 一段时间内，尝试加锁
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    // 释放锁
    void unlock();

    // 新建条件状态
    Condition newCondition();
}

AQS定义了一些有关具体加锁、释放锁的抽象方法，留给子类去实现。

由于ReentrantLock使用的是独占锁，所以只需要实现独占锁相关的方法

ReentrantLock构造方法

创建ReentrantLock对象，可以指定使用公平锁还是非公平锁，默认使用非公平锁，非公平锁的性能更好。

// 默认的构造方法，使用非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

// 传true，可以指定使用公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

NonfairSync源码

从父类ReentrantLock的加锁方法入口看起：

public class ReentrantLock implements Lock {
    // 加锁入口方法
    public void lock() {
        // 调用Sync中加锁方法
        sync.lock();
    }
}

子类非公平锁NonfairSync的加锁方法：

// 非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync {

    // 加锁
    final void lock() {
        // 1. 先尝试加锁（使用CAS设置state=1）
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            // 2. 如果加锁成功，就把当前线程设置为持有锁线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        } else {
            // 3. 如果加锁失败，再调用父类AQS中实际的加锁逻辑
            acquire(1);
        }
    }
}

先尝试使用CAS加锁（也就是把state从0设置成1），加锁成功，就把当前线程设置为持有锁线程。

在锁竞争不激烈的情况下，很大概率可以加锁成功，也就不用走else中复杂的加锁逻辑了。

如果没有加锁成功，还是需要走else中调用父类AQS的acquire()方法，而acquire()方法又需要调用子类的tryAcquire()方法。

调用链路如下：

实际的加锁逻辑在Sync.nonfairTryAcquire()方法里面。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 非公平锁的最终加锁方法
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 1. 获取同步状态
        int c = getState();
        // 2. state=0表示无锁，先尝试加锁（使用CAS设置state=1）
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                // 3. 加锁成功，就把当前线程设置为持有锁线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            // 4. 如果当前线程已经持有锁，执行可重入的逻辑
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 5. 加锁次数+acquires
            int nextc = c + acquires;
            // 6. 超过tnt类型最大值，溢出了
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        // 7. 加锁失败，返回false
        return false;
    }
}

总结-非公平锁的加锁逻辑也很简单，大致分为三步：

1. 判断同步状态state，如果state=0表示无锁，就尝试加锁，如果加锁成功，就更新state和线程owner。
2. 如果线程owner就是当前线程，执行可重入锁的逻辑，更新state值。
3. 否则加锁失败，返回false。

再看释放锁的调用流程，公平锁和非公平锁流程是一样的，最终都是执行Sync.tryRelease()方法：

本质是 更新同步状态 state 和 线程 owner 。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 释放锁
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // 1. 同步状态减去释放锁次数
        int c = getState() - releases;
        // 2. 校验当前线程不持有锁，就报错
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
        boolean free = false;
        // 3. 判断同步状态是否等于0，无锁后，就删除持有锁的线程
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

FairSync源码

最终的加锁方法是FairSync.tryAcquire()，具体源码：

static final class FairSync extends Sync {

    // 实现父类的加锁逻辑
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 1. 获取同步状态
        int c = getState();
        // 2. state=0表示无锁，先尝试加锁（使用CAS设置state=1）
        if (c == 0) {
            // 3. 判断当前线程是不是头节点的下一个节点（讲究先来后到）
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
            // 4. 如果当前线程已经持有锁，执行可重入的逻辑
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 5. 加锁次数+acquires
            int nextc = c + acquires;
            // 6. 超过tnt类型最大值，溢出了
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 判断当前线程是不是头节点的下一个节点（讲究先来后到）（AQS）
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
                ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }
}

公平锁的加锁逻辑跟非公平锁大致相同，唯一的区别是在第三步，更新同步状态state之前，增加了一个判断条件hasQueuedPredecessors()方法，用于判断当前线程是不是头节点的下一个节点。

因为等待的线程都要在同步队列中排队，同步队列的头节点是空节点，头节点的下一个节点相当于第一个有效节点，这个节点优先获取锁，在这里体现了公平锁的逻辑。

公平锁的释放锁逻辑跟非公平锁一样，上面已经讲过。

示例

public class ReentrantLockDemo {
    
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建ReentrantLock对象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 2. 加锁
        lock.lock();
        try {
            // 3. 这里执行具体的业务逻辑
        } finally {
            // 4. 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

ReentrantLock的使用非常简单，调用lock()方法加锁，unlock()方法释放锁；需要配合try/finally关键字使用，保证在代码执行出错的时候也能释放锁。

手写锁

要求：同一时间只能有一个线程持有锁，不要求可重入（无视反复加锁）

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
    }

    /**
     * 自行实现一个最普通的独占锁
     * 要求：同一时间只能有一个线程持有锁，不要求可重入
     */
    private static class MyLock implements Lock {

        /**
         * 设计思路：
         * 1. 锁被占用，那么exclusiveOwnerThread应该被记录，并且state = 1
         * 2. 锁没有被占用，那么exclusiveOwnerThread为null，并且state = 0
         */
        private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
            @Override
            protected boolean tryAcquire(int arg) {
                // 无需可重入功能，如果是当前线程直接返回true
                if(isHeldExclusively()) return true;     
                // CAS操作进行状态替换
                if(compareAndSetState(0, arg)){    
                    // 成功后设置当前的所有者线程
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());    
                    return true;
                }
                return false;
            }

            @Override
            protected boolean tryRelease(int arg) {
                if(getState() == 0)
                    // 没加锁情况下是不能直接解锁的
                    throw new IllegalMonitorStateException();   
                // 只有持有锁的线程才能解锁
                if(isHeldExclusively()){     
                    // 设置所有者线程为null
                    setExclusiveOwnerThread(null);    
                    // 状态变为0
                    setState(0);    
                    return true;
                }
                return false;
            }

            @Override
            protected boolean isHeldExclusively() {
                return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
            }

            protected Condition newCondition(){
                // 直接用现成的
                return new ConditionObject();    
            }
        }

        private final Sync sync = new Sync();

        @Override
        public void lock() {
            sync.acquire(1);
        }

        @Override
        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
            sync.acquireInterruptibly(1);
        }

        @Override
        public boolean tryLock() {
            return sync.tryAcquire(1);
        }

        @Override
        public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
            return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
        }

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

        @Override
        public Condition newCondition() {
            return sync.newCondition();
        }
    }
}