詳解Java中的ReentrantLock鎖
ReentrantLock鎖
ReentrantLock是Java中常用的鎖，屬於樂觀鎖類型，多線程並發情況下。能保證共享數據安全性，線程間有序性
ReentrantLock通過原子操作和阻塞實現鎖原理，一般使用lock獲取鎖，unlock釋放鎖，
下面說一下鎖的基本使用和底層基本實現原理，lock和unlock底層
lock的時候可能被其他線程獲得所，那麼此線程會阻塞自己，關鍵原理底層用到Unsafe類的API: CAS和park
使用
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock類
在多線程環境下使用，創建鎖對象，調用lock()獲取鎖開始處理邏輯，處理完unlock()釋放鎖。註意使用的時候lock和unlock必須成對出現，不然可能出現死鎖或者嚴重堵塞的情況
unlock
//創建鎖對象
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock(); //獲取鎖（鎖定）
System.out.println("一段需要上鎖的代碼")
lock.unlock(); //鎖釋放
執行完代碼後，釋放鎖，讓其他線程去獲取，需要註意的是，多個線程使用的鎖對象必須是同一個。
什麼情況需要上鎖，就是在多線程不安全的情況下，多個線程操作同一個對象。
如多個線程同時操作一個隊列，offer()添加對象，兩個線程同時offer，因為不是原子操作，很可能一個線程添加成功，另一個線程添加失敗，延伸到一些業務中是要杜絕的問題。可以用鎖解決問題，我們可以定義一個隊列同一時間隻能被一個拿到鎖的線程操作，即保證offer這種非原子操作完成後，釋放鎖，再讓其他線程拿到鎖後，才能offer，保證有序的offer，不會丟失信息。
示例
為瞭體現鎖的作用，這裡sleep睡眠0.1秒，增加哪個線程獲取鎖的隨機性
因為線程喚醒後，會開始嘗試獲取鎖，多個線程下競爭一把鎖是隨機的
package javabasis.threads;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockTest implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//創建鎖對象
private int thold;
public LockTest(int h) {
this.thold = h;
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 10; i < 15; i++) {
new Thread(new LockTest(i),"name-" + i).start();
}
}
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(100);
lock.lock(); //獲取鎖
System.out.println("lock threadName:" + Thread.currentThread().getName());
{
System.out.print(" writeStart ");
for (int i = 0; i < 15; i++) {
Thread.sleep(100);
System.out.print(thold+",");
}
System.out.println(" writeEnd");
}
System.out.println("unlock threadName:" + Thread.currentThread().getName() + "\r\n");
lock.unlock(); //鎖釋放
} catch (InterruptedException e) {
}
}
}
運行main方法輸出結果：
lock threadName:name-10 writeStart 10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10, writeEnd unlock threadName:name-10 lock threadName:name-14 writeStart 14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14,14, writeEnd unlock threadName:name-14 lock threadName:name-13 writeStart 13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13,13, writeEnd unlock threadName:name-13 lock threadName:name-11 writeStart 11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11,11, writeEnd unlock threadName:name-11 lock threadName:name-12 writeStart 12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12, writeEnd unlock threadName:name-12
這體現在多線程情況下，鎖能做到讓線程之間有序運行，
如果沒有鎖，情況可能是 12,13,13,10,10,10,12，沒有鎖其他線程可能插隊執行System.out.print
將上鎖的代碼註釋後輸出結果：
lock threadName:name-11 lock threadName:name-12 writeStart lock threadName:name-10 writeStart lock threadName:name-13 writeStart lock threadName:name-14 writeStart writeStart 14,12,10,11,13,11,12,14,10,13,10,13,14,12,11,10,14,12,11,13,14,11,13,12,10,13,10,12,14,11,11,13,10,12,14,14,10,12,11,13,11,14,13,12,10,14,10,11,13,12,14,12,11,13,10,14,10,11,12,13,12,14,11,13,10,11,10,14,13,12,11, writeEnd unlock threadName:name-11 13,12, writeEnd unlock threadName:name-12 writeEnd unlock threadName:name-13 14, writeEnd unlock threadName:name-14 10, writeEnd unlock threadName:name-10
原理
ReentrantLock主要用到unsafe的CAS和park兩個功能實現鎖（CAS + park ）
多個線程同時操作一個數N，使用原子（CAS）操作，原子操作能保證同一時間隻能被一個線程修改，而修改數N成功後，返回true，其他線程修改失敗，返回false，
這個原子操作可以定義線程是否拿到鎖，返回true代表獲取鎖，返回false代表為沒有拿到鎖。
拿到鎖的線程，自然是繼續執行後續邏輯代碼，而沒有拿到鎖的線程，則調用park，將線程（自己）阻塞。
線程阻塞需要其他線程喚醒，ReentrantLock中用到瞭鏈表用於存放等待或者阻塞的線程，每次線程阻塞，先將自己的線程信息放入鏈表尾部，再阻塞自己；之後需要拿到鎖的線程，在調用unlock 釋放鎖時，從鏈表中獲取阻塞線程，調用unpark 喚醒指定線程
Unsafe
sun.misc.Unsafe是關鍵類，提供大量偏底層的API 包括CAS park
sun.misc.Unsafe 此類在openjdk中可以查看
CAS 原子操作
compare and swapz(CAS)比較並交換，是原子性操作，
原理：當修改一個(內存中的)變量o的值N的時候，首先有個期望值expected，和一個更新值x，先比較N是否等於expected，等於，那麼更新內存中的值為x值，否則不更新。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
這裡offset據瞭解，是對象的成員變量在內存中的偏移地址，
即底層一個對象object存放在內存中，讀取的地址是0x2110，此對象的一個成員變量state的值也在內存中，但內存地址肯定不是0x2110
java中的CAS使用
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 類
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;
static {
try {
stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state")); //獲取成員變量state在內存中的偏移量
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
在Java中，compareAndSetState這個操作如果更新成功，返回true,失敗返回false，通過這個機制，可以定義鎖（樂觀鎖）。
如三個線程A，B，C，在目標值為0的情況下，同時執行compareAndSetState(0,1) 去修改它
期望值是0，更新值是1，因為是原子操作，在第一個線程操作成功之後目標值變為1，返回true
所以另外兩個線程就因為期望值為0不等於1，返回false。
我們可以理解為，返回true的線程拿到瞭鎖。
最終調用的Java類是sun.misc.Unsafe
park 阻塞
Java中可以通過unsafe.park()去阻塞（停止）一個線程，也可以通過unsafe.unpark()讓一個阻塞線程恢復繼續執行
unsafe.park()
阻塞(停止)當前線程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
根據debug測試，此方法能停止線程自己，最後通過其他線程喚醒
unsafe.unpark()
取消阻塞(喚醒)線程
public native void unpark(Object thread);
根據debug測試，此方法可以喚醒其他被park調用阻塞的線程
park與interrupt的區別
interrupt是Thread類的的API，park是Unsafe類的API，兩者是有區別的。
測試瞭解，Thread.currentThread().interrupt(),線程會繼續運行，而Unsafe.park(Thread.currentThread())就是直接阻塞線程，不繼續運行代碼。
獲取鎖
線程cas操作失敗，可以park阻塞自己，讓其他擁有鎖的線程在unlock的時候釋放自己，達到鎖的效果
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock的lock方法是
public void lock() {
sync.lock();
}
而sync的實現類其中一個是java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync 不公平鎖，它的邏輯比較直接
/**
NonfairSync
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))//cas操作，如果true 則表示操作成功，獲取鎖
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); //設置獲取鎖擁有者為當前線程
else
acquire(1);//獲取鎖失敗，鎖住線程(自己)
}
獲取失敗後阻塞線程
如果獲取鎖失敗，會再嘗試一次，失敗後，將線程（自己）阻塞
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
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) {
//如果期望值為0，內存值也為0，再次嘗試獲取鎖（此時其他線程也可能嘗試獲取鎖）
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current); //第二次獲取成功，放回true
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false; //沒有獲取到鎖，返回false，則 !tryAcquire(arg) 為true，執行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
}
獲取鎖失敗，線程會進入循環，acquireQueued 方法中for是個無限循環，除非獲取鎖成功後，才會return。
//獲取鎖失敗後，準備阻塞線程（自己）
//阻塞之前，添加節點存放到鏈表，其他線程可以通過這個鏈表喚醒此線程
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {//cas操作
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
// 在此方法直到獲取鎖成功才會跳出循環
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted; //獲取鎖成功之後才會return跳出此方法
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //如果滿足阻塞條件
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);//停止線程（自己）
return Thread.interrupted();
}
釋放鎖
一個線程拿到鎖之後，執行完關鍵代碼，必須unlock釋放鎖的，否則其他線程永遠拿不到鎖
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync 的tryRelease
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; //這裡一般是 1 - 1 = 0
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //隻能是鎖的擁有者釋放鎖
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c); //設置state為0，相當於釋放鎖，讓其他線程compareAndSetState(0, 1)可能成功
return free;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState; //沒有cas操作
}
setState不做cas操作是因為，隻有擁有鎖的線程才調用unlock，不存才並發混亂問題
其他線程沒拿到鎖不會設值成功，其他線程在此線程設置state為0之前，compareAndSetState(0, 1)都會失敗，拿不到鎖，此線程設置state為0之後，其他線程compareAndSetState(0, 1)才有可能成功，返回true從而拿到鎖
釋放線程
線程在獲取鎖失敗後，有可能阻塞線程（自己），在阻塞之前把阻塞線程信息放入鏈表的
釋放鎖之後，線程會嘗試通過鏈表釋放其他線程（一個），讓一個阻塞線程恢復運行
阻塞線程被取消阻塞後如何拿到鎖(ReentrantLock中)
有時候線程被中斷後，喚醒繼續執行後面的代碼，
線程沒有拿到鎖之後主動阻塞自己的，但所還沒拿到，被喚醒之後怎麼去嘗試重新獲取鎖呢？ 裡面有一個for循環
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//拿到鎖
else
acquire(1); //沒有拿到鎖
}
// 上鎖失敗，會添加一個節點，節點包含線程信息，將此節點放入隊列
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
// 存好節點後，將線程（自己）中斷，等其他線程喚醒（自己）
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {//循環 被喚醒後線程還是在此處循環
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//嘗試獲取鎖
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted; //如果拿到鎖瞭，才會return
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt()) //沒拿到鎖時，主動中斷Thread.currentThread()
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
被喚醒後繼續執行compareAndSetState(0, 1)返回false沒拿到鎖，則繼續循環或阻塞
compareAndSetState(0, 1) 這個操作是獲取鎖的關鍵
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