一、先了解一下

我們知道實(shí)現(xiàn)一把鎖要有如下幾個(gè)邏輯：

• 鎖的標(biāo)識(shí)
• 線程搶鎖的邏輯
• 線程掛起的邏輯
• 線程存儲(chǔ)邏輯
• 線程釋放鎖的邏輯
• 線程喚醒的邏輯

我們?cè)谥v解AQS的時(shí)候說(shuō)過(guò)AQS基本負(fù)責(zé)了實(shí)現(xiàn)鎖的全部邏輯，唯獨(dú)線程搶鎖和線程釋放鎖的邏輯是交給子類來(lái)實(shí)現(xiàn)了，而ReentrantLock作為最常用的獨(dú)占鎖，其內(nèi)部就是包含了AQS的子類實(shí)現(xiàn)了線程搶鎖和釋放鎖的邏輯。

我們?cè)谑褂肦eentrantLock的時(shí)候一般只會(huì)使用如下方法：

ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
 lock.lock();
 lock.unlock();
 lock.tryLock();
 Condition condition=lock.newCondition();
 condition.await();
 condition.signal();
 condition.signalAll();

二、技術(shù)架構(gòu)

如果我們自己來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)鎖，那么如何設(shè)計(jì)呢？

根據(jù)AQS的邏輯，我們寫一個(gè)子類sync,這個(gè)類一定會(huì)調(diào)用父類的acquire方法進(jìn)行上鎖，同時(shí)重寫tryAcquire方法實(shí)現(xiàn)自己搶鎖邏輯，也一定會(huì)調(diào)用release方法進(jìn)行解鎖，同時(shí)重寫tryRelease方法實(shí)現(xiàn)釋放鎖邏輯。

那么ReentrantLock是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)的類架構(gòu)如下，ReentrantLock對(duì)外提供作為一把鎖應(yīng)該具備的api，比如lock加鎖，unlock解鎖等等，而它內(nèi)部真正的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)靜態(tài)內(nèi)部類sync實(shí)現(xiàn)，sync是AQS的子類，是真正的鎖，因?yàn)檫@把鎖需要支持公平和非公平的特性，所以sync又有兩個(gè)子類FairSync和NonfairSync分別實(shí)現(xiàn)公平鎖和非公平鎖。

因?yàn)槭欠窆秸f(shuō)的是搶鎖的時(shí)候是否公平，那兩個(gè)子類就要在上鎖方法acquire的調(diào)用和搶鎖方法tryAcquire的重寫上做文章。

公平鎖做了什么文章？

static final class FairSync extends Sync {
  
        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

公平鎖比較簡(jiǎn)單，直接調(diào)用了父級(jí)類AQS的acquire方法，因?yàn)锳QS的鎖默認(rèn)就是公平的排隊(duì)策略。

重寫tryAcquire方法的邏輯為：

• 判斷當(dāng)前鎖是否被占用，即state是否為0
• 如果當(dāng)前鎖沒(méi)有被占用，然后會(huì)判斷等待隊(duì)列中是否有線程在阻塞等待，如果有，那就終止搶鎖，如果沒(méi)有，就通過(guò)cas搶鎖，搶到鎖返回true,沒(méi)有搶到鎖返回false。
• 如果當(dāng)前鎖已經(jīng)被占用，然后判斷占用鎖的線程是不是自己，如果是，就會(huì)將state加1，表示重入,返回true。如果不是自己那就是代表沒(méi)有搶到鎖，返回false。

公平就公平在老老實(shí)實(shí)排隊(duì)。

非公平鎖做了什么文章？

static final class NonfairSync extends Sync {
      
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }
    
    //nonfairTryAcquire代碼在父類sync里面
     final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    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;
        }

非公平鎖也很簡(jiǎn)單，沒(méi)有直接調(diào)用了父級(jí)類AQS的acquire方法，而是先通過(guò)cas搶鎖，它不管等待隊(duì)列中有沒(méi)有其他線程在排隊(duì)，直接搶鎖，這就體現(xiàn)了不公平。

它重寫tryAcquire方法的邏輯為：

• 判斷當(dāng)前鎖是否被占用，即state是否為0
• 如果當(dāng)前鎖沒(méi)有被占用，就直接通過(guò)cas搶鎖（不管等待隊(duì)列中有沒(méi)有線程在排隊(duì)），搶到鎖返回true,沒(méi)有搶到鎖返回false。
• 如果當(dāng)前鎖已經(jīng)被占用，然后判斷占用鎖的線程是不是自己，如果是，就會(huì)將state加1，表示重入,返回true。如果不是自己那就是代表沒(méi)有搶到鎖，返回false。

公平鎖和非公平分別重寫了tryAcquire方法，來(lái)滿足公平和非公平的特性。那么tryAcquire方法也是需要子類重寫的，因?yàn)樗褪欠窆綗o(wú)關(guān)，因此tryAcquire方法被抽象到sync類中重寫。

sync類中
protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

釋放鎖的邏輯如下:

• 獲取state的值，然后減1
• 如果state為0，代表鎖已經(jīng)釋放，清空aqs中的持有鎖的線程字段的值
• 如果state不為0，說(shuō)明當(dāng)前線程重入了，還需要再次釋放鎖
• 將state寫回

釋放鎖往往和搶鎖邏輯是對(duì)應(yīng)的，每個(gè)子類搶鎖邏輯不同的話，釋放鎖的邏輯也會(huì)對(duì)應(yīng)不同。

三、具體實(shí)現(xiàn)

接下來(lái)我們通過(guò)ReentrantLock的使用看下它的源碼實(shí)現(xiàn)：

class X {
            private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
            Condition condition1=lock.newCondition();
            Condition condition2=lock.newCondition();
            public void m() {
                lock.lock();
                try {

                    if(條件1){
                        condition1.await();
                    }
                    if(條件2){
                        condition2.await();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {

                } finally {
                    condition1.signal();
                    condition2.signal();
                    lock.unlock();
                }
            }
        }

1.先看這個(gè)方法：lock.lock()

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

NonfairSync 類中
  final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
      acquire(1);
  }

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

公平鎖和非公平鎖中都實(shí)現(xiàn)了lock方法，公平鎖直接調(diào)用AQS的acquire，而非公平鎖先搶鎖，搶不到鎖再調(diào)用AQS的acquire方法進(jìn)行上鎖

進(jìn)入acquire方法后的邏輯我們就都知道了。

2.再看這個(gè)方法lock.unlock()

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

unlock方法內(nèi)直接調(diào)用了AQS的Release方法進(jìn)行解鎖的邏輯，進(jìn)入release方法后邏輯我們都已經(jīng)知道了，這里不再往下跟。

3.最后看這個(gè)方法lock.tryLock()

這個(gè)方法中直接調(diào)用了sync中的nonfairTryAcquire方法，這個(gè)就是非公平鎖實(shí)現(xiàn)的TryAcquire方法，只是名字改了而已。

tryLock方法的意思是嘗試搶鎖，是給程序員調(diào)用的嘗試搶鎖方法，如果搶鎖成功返回true，搶鎖失敗返回false，當(dāng)拿到搶鎖失敗的信號(hào)后，程序員可以做一些自己的策略。

如果沒(méi)有tryLock方法，而是直接調(diào)用lock方法，就會(huì)走到acquire方法中，Acquire方法中也會(huì)調(diào)用TryAcquire方法，只不過(guò)在這里如果獲取不到鎖就會(huì)入隊(duì)阻塞了，就沒(méi)有程序員參與的可能了。

4.lock.newCondition();

在AQS那篇我們說(shuō)過(guò)Condition是AQS中的條件隊(duì)列，可以按條件將一批線程由不可喚醒變?yōu)榭蓡拘选?/p>

ReentrantLock類
 public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
 }

sync靜態(tài)內(nèi)部類
final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
}

sync提供了創(chuàng)建Condition對(duì)象的方法，意味著ReentrantLock也擁有Condition的能力。

四、ReentrantLock和synchronized對(duì)比

我們下面說(shuō)的ReentrantLock其實(shí)就是說(shuō)AQS,因?yàn)樗耐綄?shí)現(xiàn)主要在AQS里面。

1.實(shí)現(xiàn)方面

• ReentrantLock是jdk級(jí)別實(shí)現(xiàn)的，其源碼在jdk源碼中可以查看，沒(méi)有脫離java。
• synchronized是jvm級(jí)別實(shí)現(xiàn)的，synchronized只是java端的一個(gè)關(guān)鍵字，具體邏輯實(shí)現(xiàn)都在jvm中。

2.性能方面

優(yōu)化前的synchronized性能很差，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

• 因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下對(duì)于資源的爭(zhēng)奪并沒(méi)有那么激烈，甚至于某個(gè)時(shí)刻可能只有一個(gè)線程在工作，在這種沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)或者競(jìng)爭(zhēng)壓力很小的情況下，如果每個(gè)線程都要進(jìn)行用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換其實(shí)是很耗時(shí)的。
• jdk1.6對(duì)synchronized底層實(shí)現(xiàn)做了優(yōu)化，優(yōu)化后，在單線程以及并發(fā)不是很高的情況下通過(guò)無(wú)鎖偏向和自旋鎖的方式避免用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，因此性能提高了，優(yōu)化后的synchronized和ReentrantLock性能差不多了。

ReentrantLock是在jdk實(shí)現(xiàn)的，它申請(qǐng)互斥量就是對(duì)鎖標(biāo)識(shí)state的爭(zhēng)奪，它是通過(guò)cas方式實(shí)現(xiàn)。在java端實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于爭(zhēng)奪不到資源的線程依然要阻塞掛起，但凡阻塞掛起都要依賴于操作系統(tǒng)底層，這一步的用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換是避免不了的。

因此在單線程進(jìn)入代碼塊的時(shí)候，效率是很高的，因此我們說(shuō)ReentrantLock性能高于原始的synchronized：

• 申請(qǐng)互斥量：synchronized的鎖其實(shí)就是爭(zhēng)奪Monitor鎖的擁有權(quán)，這個(gè)爭(zhēng)奪過(guò)程是通過(guò)操作系統(tǒng)底層的互斥原語(yǔ)Mutex實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過(guò)程會(huì)有用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。
• 線程阻塞掛起：沒(méi)能搶到到Monitor鎖擁有權(quán)的線程要阻塞掛起，阻塞掛起這個(gè)動(dòng)作也是依靠操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過(guò)程也需要用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。

3.特性方面

兩個(gè)都是常用的典型的獨(dú)占鎖。

• ReentrantLock可重入，可中斷，支持公平和非公平鎖，可嘗試獲取鎖，可以支持分組將線程由不可喚醒變?yōu)榭蓡拘选?/li>
• synchronized可重入，不可中斷，非公平鎖，不可嘗試獲取鎖，只支持一個(gè)或者全部線程由不可喚醒到可喚醒。

4.使用方面

synchronized不需要手動(dòng)釋放鎖，ReentrantLock需要手動(dòng)釋放鎖，需要考慮異常對(duì)釋放鎖的影響避免異常導(dǎo)致線程一直持有鎖。

以下是兩個(gè)鎖的使用方式：

class X {
            private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
            Condition condition1=lock.newCondition();
            Condition condition2=lock.newCondition();
            public void m() {
                lock.lock();
                try {

                    if(1==2){
                        condition1.await();
                    }
                    if(1==3){
                        condition2.await();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {

                } finally {
                    condition1.signal();
                    condition2.signal();
                    lock.unlock();
                }
            }
        }

class X {
            private final testtest sync=new testtest();;
            public void m() throws InterruptedException {
                synchronized(sync){
                    if(1==2){
                        sync.wait();
                    }
                    sync.notify();
                    sync.notifyAll();
                }
            }
        }

對(duì)比代碼及特性說(shuō)明：

• 兩個(gè)鎖都是依賴一個(gè)對(duì)象：lock和sync
• condition和wait方法具有同樣的效果，進(jìn)入condition和wait的線程將陷入等待（不可喚醒狀態(tài)），只有被分別調(diào)用signal和notify方法線程才會(huì)重新變?yōu)榭蓡拘褷顟B(tài)，請(qǐng)注意是可喚醒，而不是被喚醒。
• 可喚醒是說(shuō)具備了競(jìng)爭(zhēng)資源的資格，資源空閑后，synchronized中會(huì)在可喚醒狀態(tài)的線程中隨機(jī)挑選一個(gè)線程去拿鎖，而ReentrantLock中不可喚醒的線程變?yōu)榭蓡拘褷顟B(tài)，其實(shí)就是將條件隊(duì)列中的線程搬到等待隊(duì)列中排隊(duì)，只有隊(duì)頭的才會(huì)去嘗試拿鎖。
• ReentrantLock分批將線程由不可喚醒變?yōu)榭蓡拘岩苍谶@段代碼中體現(xiàn)了，代碼中按照不同的條件將線程放入不同的condition，每個(gè)condition就是一個(gè)組，釋放的時(shí)候也可以按照不同的條件進(jìn)行釋放。而synchronized中進(jìn)入wait的線程不能分組，釋放也只能隨機(jī)釋放一個(gè)或者全部釋放。