详解Java ReentrantLock可重入,可打断,锁超时的实现原理

2022-11-13 18:19

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概述

前面讲解了ReentrantLock加锁和解锁的原理实现，但是没有阐述它的可重入、可打断以及超时获取锁失败的原理，本文就重点讲解这三种情况。建议大家先看下这篇文章了解下ReentrantLock加锁的基本原理，图解Java ReentrantLock公平锁和非公平锁的实现。

可重入

可重入是指一个线程如果获取了锁，那么它就是锁的主人，那么它可以再次获取这把锁，这种就是理解为重入，简而言之，可以重复获取同一把锁，不会造成阻塞，举个例子如下：

@Test
    public void testRepeatLock() {
        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
        // 第一次获取锁
        reentrantLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " first get lock");
            // 再次获取锁
            tryAgainLock(reentrantLock);
        }finally {
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

    public void tryAgainLock(ReentrantLock reentrantLock) {
        // 第2次获取锁
        reentrantLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " second get lock");
        }finally {
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

同一个线程使用ReentrantLock多次获取锁，不会阻塞
申请几把锁，最后需要解除几把锁

那你知道是怎么实现的吗？

概述的文章中已经讲解了ReentrantLock整个的加锁和解锁的过程，可重入实现就在其中，这里着重关注下申请锁的方法tryAcquire，最终会调用nonfairTryAcquire方法。

如果已经有线程获得了锁, 并且占用锁的线程是当前线程, 表示【发生了锁重入】，上图的1步骤
计算出冲入的次数nextc等于当前次数+新增次数，acquires等于1
更新 state 的值，这里不使用 cas 是因为当前线程正在持有锁，所以这里的操作相当于在一个管程内, 然后返回ture,表明再次申请锁成功。

可打断

ReentrantLock相比于synchronized加锁一大优势是可打断，那么什么是可打断呢？ReentrantLock通过lockInterruptibly()加锁，如果一直获取不到锁，可以通过调用线程的interrupt()提前终止线程。举个例子：

@Test
    public void testInterrupt() throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        // 主线程普通加锁
        System.out.println("主线程优先获取锁");
        lock.lock();
        try {
            // 创建子线程
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println("t1尝试获取打断锁");
                    lock.lockInterruptibly();
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("t1没有获取到锁，被打断，直接返回");
                    return;
                }
                try {
                    System.out.println("t1成功获取锁");
                } finally {
                    System.out.println("t1释放锁");
                    lock.unlock();
                }
            }, "t1");
            t1.start();
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("主线程进行打断锁");
            t1.interrupt();
        } finally {
            // 主线程解锁
            System.out.println("主线程优先释放锁");
            lock.unlock();
        }
    }

通过lockInterruptibly()方法获取锁期间，可以通过线程的interrupt()方法进行中断，跳出阻塞。
通过lock()方法获取锁，不会响应interrupt()方法的中断。

接下来我们看看它的实现原理。

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {    
    sync.acquireInterruptibly(1);
}
public final void acquireInterruptibly(int arg) {
    // 被其他线程打断了直接返回 false
    if (Thread.interrupted())
		throw new InterruptedException();
    if (!tryAcquire(arg))
        // 没获取到锁，进入这里
        doAcquireInterruptibly(arg);
}

先判断一次线程是否中断了，是的话，直接抛出中断异常。
如果没有获取锁，调用doAcquireInterruptibly()方法。

private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 封装当前线程，加入到队列中
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        // 自旋
        for (;;) {
            // shouldParkAfterFailedAcquire判断是否需要阻塞等待
            // parkAndCheckInterrupt方法是阻塞线程，返回true，表示线程被中断了
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                // 【在 park 过程中如果被 interrupt 会抛出异常】, 而不会再次进入循环获取锁后才完成打断效果
                throw new InterruptedException();
        }    
    } finally {
        // 抛出异常前会进入这里
        if (failed)
            // 取消当前线程的节点
            cancelAcquire(node);
    }
}

addWaiter将当前线程封装成节点，加入到队列中。
shouldParkAfterFailedAcquire()方法判断如果前一个节点的等待状态时-1，则返回true,表示当前线程需要阻塞。
parkAndCheckInterrupt()方法是阻塞线程，返回true，表示线程被中断了，抛出InterruptedException异常。
最后调用cancelAcquire()方法，将当前节点状态设置为cancel取消状态。

// 取消节点出队的逻辑
private void cancelAcquire(Node node) {
    // 判空
    if (node == null)
        return;
	// 把当前节点封装的 Thread 置为空
    node.thread = null;
	// 获取当前取消的 node 的前驱节点
    Node pred = node.prev;
    // 前驱节点也被取消了，循环找到前面最近的没被取消的节点
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;
    
	// 获取前驱节点的后继节点，可能是当前 node，也可能是 waitStatus > 0 的节点
    Node predNext = pred.next;
    
	// 把当前节点的状态设置为 【取消状态 1】
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    
	// 条件成立说明当前节点是尾节点，把当前节点的前驱节点设置为尾节点
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        // 把前驱节点的后继节点置空，这里直接把所有的取消节点出队
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // 说明当前节点不是 tail 节点
        int ws;
        // 条件一成立说明当前节点不是 head.next 节点
        if (pred != head &&
            // 判断前驱节点的状态是不是 -1，不成立说明前驱状态可能是 0 或者刚被其他线程取消排队了
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             // 如果状态不是 -1，设置前驱节点的状态为 -1
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            // 前驱节点的线程不为null
            pred.thread != null) {
            
            Node next = node.next;
            // 当前节点的后继节点是正常节点
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                // 把 前驱节点的后继节点 设置为 当前节点的后继节点，【从队列中删除了当前节点】
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            // 当前节点是 head.next 节点，唤醒当前节点的后继节点
            unparkSuccessor(node);
        }
        node.next = node; // help GC
    }
}

锁超时

ReentrantLock还具备锁超时的能力，调用tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，在给定时间内获取锁，获取不到就退出，这也是synchronized没有的功能。

@Test
    public void testLockTimeout() throws InterruptedException {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                // 调用tryLock获取锁
                if (!lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println("t1获取不到锁");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("t1被打断，获取不到锁");
                return;
            }
            try {
                System.out.println("t1获取到锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        // 主线程加锁
        lock.lock();
        System.out.println("主线程获取到锁");

        t1.start();
        Thread.sleep(3000);
        try {
            System.out.println("主线程释放了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

那这个原理实现是什么样的呢？

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    // 调用tryAcquireNanos方法
    return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) {
    if (Thread.interrupted())        
        throw new InterruptedException();    
    // tryAcquire 尝试一次，获取不到的话调用doAcquireNanos方法
    return tryAcquire(arg) || doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}

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

private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) {    
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    // 获取最后期限的时间戳
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    // 将当前线程添加到队列中
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        // 自旋
        for (;;) {
            // 获取前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 前驱节点是head，尝试获取锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return true;
            }
            // 计算还需等待的时间
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L)	//时间已到     
                return false;
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                // 如果 nanosTimeout 大于该值，才有阻塞的意义，否则直接自旋会好点
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            // 【被打断会报异常】
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }    
    }
}