ReentrantLock底层源码分析
一、简单使用
在聊它的源码之前，我们先来做个简单的使用说明。当我在IDEA中创建了一个简单的Demo之后，它会给出以下提示
提示文字
在使用阻塞等待获取锁的方式中，必须在try代码块之外，并且在加锁方法与try代码块之间没有任何可能抛出异常的方法调用，避免加锁成功后，在finally中无法解锁。
1、如果在lock方法与try代码块之间的方法调用抛出异常，那么无法解锁，造成其它线程无法成功获取锁。
2、如果lock方法在try代码块之内，可能由于其它方法抛出异常，导致在finally代码块中，unlock对未加锁的对象解锁，它会调用AQS的tryRelease方法（取决于具体实现类），抛出IllegalMonitorStateException异常。
3、在Lock对象的lock方法实现中可能抛出unchecked异常，产生的后果与说明二相同
还举了两个例子，正确案例如下：
Lock lock = new XxxLock();
// ...
lock.lock();
try {
doSomething();
doOthers();
} finally {
lock.unlock();
}
错误案例如下：
Lock lock = new XxxLock();
// ...
try {
// 如果在此抛出异常，会直接执行 finally 块的代码
doSomething();
// 不管锁是否成功，finally 块都会执行
lock.lock();
doOthers();
} finally {
lock.unlock();
}
二、AQS
Sync 是通过继承AbstractQueuedSynchronizer来实现的，没错，AbstractQueuedSynchronizer就是AQS的全称。AQS内部维护着一个FIFO的双向队列（CLH），ReentrantLock也是基于它来实现的，先来张图感受下。
三、Node 属性
//此处是 Node 的部分属性
static final class Node {
//排他锁标识
static final Node EXCLUSIVE = null;
//如果带有这个标识，证明是失效了
static final int CANCELLED = 1;
//具有这个标识，说明后继节点需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
//Node对象存储标识的地方
volatile int waitStatus;
//指向上一个节点
volatile Node prev;
//指向下一个节点
volatile Node next;
//当前Node绑定的线程
volatile Thread thread;
//返回前驱节点即上一个节点，如果前驱节点为空，抛出异常
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
}
对于里边的waitStatus属性，我们需要做个解释：
-
CANCELLED(1)：如果在AQS同步队列中等待的线程等待超时或被中断，那么需要从AQS同步队列中取消该Node的结点，其结点的waitStatus为CANCELLED，即结束状态，进入该状态后的结点将不会再变化
-
SIGNAL(-1)：只要获取锁的线程释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后续节点的线程
-
CONDITION(-2)：Condition中使用，当前线程阻塞在Condition，如果其他线程调用了Condition的signal方法，这个结点将从等待队列转移到同步队列队尾，等待获取同步锁；
-
PROPAGATE(-3)：共享模式，前置节点唤醒后面节点后，唤醒操作无条件传播下去；
-
0：线程节点在队列的初始状态
四、AQS 属性
// 头结点
private transient volatile Node head;
// 尾结点
private transient volatile Node tail;
//0->1 拿到锁，大于0 说明当前已经有线程占用了锁资源
private volatile int state;
五、加锁
对AQS的结构有了基本了解之后，我们正式进入主题——加锁。从源码中可以看出锁被分为公平锁和非公平锁
/**
* 公平锁代码
*/
final void lock(){
acquire(1);
}
/**
* 非公平锁代码
*/
final void lock(){
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
六、非公平锁
final void lock(){
//通过 CAS 的方式尝试将 state 从0改为1，
//如果返回 true，代表修改成功，获得锁资源;
//如果返回false，代表修改失败，未获取锁资源
if (compareAndSetState(0, 1))
// 将属性exclusiveOwnerThread设置为当前线程，该属性是AQS的父类提供的
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
compareAndSetState()：底层调用的是unsafe的compareAndSwapInt，该方法是原子操作；
假设有两个线程（t1、t2）在竞争锁资源，线程1获取锁资源之后，执行setExclusiveOwnerThread操作，设置属性值为当前线程t1
此时，当t2想要获取锁资源，调用lock()方法之后，执行compareAndSetState(0, 1)返回false，会走else执行acquire()方法。
1、方法查看
public final void accquire(int arg){
// tryAcquire 再次尝试获取锁资源，如果尝试成功，返回true，尝试失败返回false
if (!tryAcquire(arg) &&
// 走到这，代表获取锁资源失败，需要将当前线程封装成一个Node，追加到AQS的队列中
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 线程中断
selfInterrupt();
}
accquire()中涉及的方法比较多，我们将进行拆解，一个一个来分析，顺序：tryAcquire() -> addWaiter() -> acquireQueued()
2、查看 tryAcquire() 方法
//AQS中
protected boolean tryAcquire(int arg){
//AQS 是基类，具体实现在自己的类中实现，我们去查看“非公平锁”中的实现
throw new UnsupportedOperationException();
}
//ReentrantLock 中
protected final boolean tryAcquire(int acquires){
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires){
// 获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取AQS 的 state
int c = getState();
// 如果 state 为0，代表尝试再次获取锁资源
if (c == 0) {
// 步骤同上：通过 CAS 的方式尝试将 state 从0改为1，
//如果返回 true，代表修改成功，获得锁资源;
//如果返回false，代表修改失败，未获取锁资源
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//设置属性为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//当前占有锁资源的线程是否是当前线程，如果是则证明是可重入操作
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//将 state + 1
int nextc = c + acquires;
//为什么会小于 0 呢？因为最大值 + 1 后会将符号位的0改为1 会变成负数(可参考Integer.MAX_VALUE + 1)
if (nextc < 0) // overflow
//加1后小于0，超出锁可重入的最大值，抛异常
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置 state 状态
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
因为线程1已经获取到了锁，此时state为1，所以不走nonfair非公平的TryAcquire()方法的if。又因为当前是线程2，不是占有当前锁的线程1，所以也不会走else if，即tryAcquire()方法返回 false
3、查看 addWaiter() 方法
走到本方法中，代表获取锁资源失败。addWaiter()将没有获取到锁资源的线程甩到队列的尾部
private Node addWaiter(Node mode){
//创建 Node 类，并且设置 thread 为当前线程，设置为排它锁
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取 AQS 中队列的尾部节点
Node pred = tail;
// 如果 tail == null，说明是空队列，
// 不为 null，说明现在队列中有数据，
if (pred != null) {
// 将当前节点的 prev 指向刚才的尾部节点，那么当前节点应该设置为尾部节点
node.prev = pred;
// CAS 将 tail 节点设置为当前节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 将之前尾节点的 next 设置为当前节点
pred.next = node;
// 返回当前节点
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
当tail不为空，即队列中有数据时，我们来图解一下 pred!=null 里面中的代码。初始化状态如下，pred指向队列的尾节点，node指向新的节点。
de.prev = pred；将node的前驱指针pred指向队列中尾部节点pred = tail
compareAndSetTail(pred, node) 通过CAS的方式尝试将node设置为尾结点，此处我们假设设置成功，则FIFO队列的tail指向node节点
pred.next = node；将队列中尾节点pred的后驱指针next指向node节点，此时node节点成功进入FIFO队列尾部
而当pred为空，即队列中没有节点或将node节点设置为尾结点失败时，会走enq()方法。我们列举的例子就符合pred为空的情况，就让我们以例子为基础继续分析吧
//现在没人排队，我是第一个 || 前边CAS失败也会进入这个位置重新往队列尾巴去塞
private Node enq(final Node node){
//死循环
for (;;) {
//重新获取tail节点
Node t = tail;
// 没人排队，队列为空
if (t == null) {
// 初始化一个 Node 为 head，而这个head 没有意义
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 将头尾都指向了这个初始化的Node，第一次循环结束
tail = head;
} else {
// 有人排队，往队列尾巴塞
node.prev = t;
// CAS 将 tail 节点设置为当前节点
if (compareAndSetTail(t, node)) {
//将之前尾节点的 next 设置为当前节点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
进入死循环，首先会走if方法的逻辑，通过CAS的方式尝试将一个新节点设置为head节点，然后将tail也指向新节点。可以看出队列中的头节点只是个初始化的点【哨兵节点】，没有任何意义
继续走死循环中的代码，此时t不为null，所以会走else方法。将node的前驱节点指向t，通过CAS方式将当前节点node设置为尾结点，然后将t的后继节点指向node。此时线程2的节点就被成功塞入FIFO队列尾部。
4、查看 acquireQueued()方法
将已经在队列中的node尝试去获取锁否则挂起
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg){
// 获取锁资源的标识,失败为 true，成功为 false
boolean failed = true;
try {
// 线程中断的标识，中断为 true，不中断为 false
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取当前节点的上一个节点
final Node p = node.predecessor();
//p为头节点，尝试获取锁操作
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null;
// 将获取锁失败标识置为false
failed = false;
// 获取到锁资源，不会被中断
return interrupted;
}
// p 不是 head 或者 没拿到锁资源，基于 Unsafe 的 park方法，挂起线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这里又出现了一次死循环，首先获取当前节点的前驱节点p，如果p是头节点(哨兵节点没有意义)，说明node是head后的第一个节点，此时当前获取锁资源的线程1可能会释放锁，所以线程2可以再次尝试获取锁。
假设获取成功，证明拿到锁资源了，将node节点设置为head节点，并将node节点的pre和thread设置为null。因为拿到锁资源了，node节点就不需要排队了。
将头节点p的next置为null，此时p节点就不在队列中存在了，可以帮助GC回收(可达性分析)。failed设置为false，表明获取锁成功；interrupted为false，则线程不会中断。
如果p不是head节点或者没有拿到锁资源，会执行下边的代码，因为我们的线程1没有释放锁资源，所以线程2获取锁失败，会继续往下执行
//该方法的作用是保证上一个节点的waitStatus状态为-1（为了唤醒后继节点）
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node){
//获取上一个节点的状态,该状态为-1，才会唤醒下一个节点。
int ws = pred.waitStatus;
// 如果上一个节点的状态是SIGNAL即-1，可以唤醒下一个节点，直接返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 如果上一个节点的状态大于0，说明已经失效了
if (ws > 0) {
do {
// 将node 的节点与 pred 的前一个节点相关联，并将前一个节点赋值给 pred
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0); // 一直找到小于等于0的
// 将重新标识好的最近的有效节点的 next 指向当前节点
pred.next = node;
} else {
// 小于等于0，但是不等于-1，将上一个有效节点状态修改为-1
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
只有节点的状态为-1，才会唤醒后一个节点，如果节点状态未设置，默认为0
图解一下 ws>0 的过程，因为 ws>0 的节点为失效节点，所以 do...while 中会重复向前查找前驱节点，直到找到第一个 ws<=0 的节点为止，将node节点挂到该节点上。
我们的pred是头结点且未设置状态，所以状态为0，会走else。通过CAS尝试将pred节点的waitStatus设置为-1，表明node节点需要被pred唤醒。
shouldParkAfterFailedAcquire() 返回false，继续执行acquireQueued()中的死循环。
步骤和上边一样，node的前驱节点还是head，继续尝试获取锁。如果线程1释放了锁，线程2就可以拿到，返回true；否则继续调用shouldParkAfterFailedAcquire()，因为上一步已经将前驱结点的ws设置为-1了，所以直接返回true。
执行 parkAndCheckInterrupt()方法，通过 UNSAFE.park()；方法阻塞当前线程2。等以后执行 unpark方法的时候，如果node是头节点后的第一个节点，会进入 acquireQueued()方法中走if (p == head && tryAcquire(arg))的逻辑获取锁资源并结束死循环
5、查看cancelAcquire()方法
该方法执行的机率约等于0，为什么这么说呢？因为针对failed属性，只有JVM内部出现问题时，才可能出现异常，执行该方法。
// node 为当前节点
private void cancelAcquire(Node node){
if (node == null)
return;
node.thread = null;
// 上一个节点
Node pred = node.prev;
// 节点状态大于0，说明节点失效
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// 将第一个不是失效节点的后继节点声明出来
Node predNext = pred.next;
// 节点状态变为失效
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// node为尾节点，cas设置pred为尾节点
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
//cas将pred的next设置为null
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
int ws;
// 中间节点
// 如果上一个节点不是head 节点
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
// 前边已经判断了大于0的操作，
// pred 是需要唤醒后继节点的，所以当 waitStatus 不为 -1 时，需要将 pred 节点的 waitStatus 设置为 -1
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
// CAS 尝试将 pred 的 next 指向当前节点的 next
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
// head 节点，唤醒后继节点
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}
执行到while时找到前驱节点中最近的有效节点，把当前节点node挂到有效节点后边，可以过滤掉当前节点前的失效节点。声明出有效节点的第一个后继无效节点predNext，并把当前的node节点状态设置为失效状态。
if中的操作：如果当前节点是尾节点，CAS尝试将最近的有效节点设置为尾节点，并将尾节点的next设置为null。
else中的操作：
如果pred节点不是头结点即中间节点，并且pred的waitStatus为-1或者waitStatus<=0，为了让pred节点能唤醒后继节点，需要设置为-1，并且pred节点的线程不为空。获取node节点的后继节点，如果后继节点有效，CAS尝试将pred的next指向node节点的next
当其他节点来找有效节点的时候走当前node的prev这条线，而不是再一个一个往前找，可以提高效率。
如果是头结点则唤醒后继节点。
最后将node节点的next指向自己。
七、解锁
释放锁是不区分公平锁和非公平锁的，释放锁的核心是将state由大于 0 的数置为 0。废话不多说，直接上代码
//释放锁方法
public void unlock(){
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg){
//尝试释放锁资源，如果释放成功，返回true
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// head 不为空且 head 的 ws 不为0（如果为0，代表后边没有其他线程挂起）
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// AQS的队列中有 node 在排队，并且线程已经挂起
// 需要唤醒被挂起的 Node
unparkSuccessor(h);
return true;
}
// 代表释放一次没有完全释放
return false;
}
如果释放锁成功，需要获取head节点。如果头结点不为空且waitStatus不为0，则证明有node在排队，执行唤醒挂起其他node的操作。
1、查看tryRelease()方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 获取当前锁的状态，先进行减1操作，代表释放一次锁资源
int c = getState() - releases;
// 如果释放锁的线程不是占用锁的线程，直接抛出异常
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 如果 c 为0 ，代表锁完全释放了，如果不为0，代表锁之前重入了，一次没释放掉，等待下次再次执行时，再次判断
if (c == 0) {
// 释放锁标志为 true，代表完全释放了
free = true;
// 将占用互斥锁的标识置为 null
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 设置 state 状态
setState(c);
return free;
}
我们的例子中线程1占用锁资源，线程1释放锁之后，state为0。进入if操作，将释放标志更新为true，将FIFO队列的 exclusiveOwnerThread 标志置为null
2、查看unparkSuccessor()方法
用于唤醒AQS中被挂起的线程
// 注意当前的 node 节点是 head 节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
//获取 head 的状态
int ws = node.waitStatus;
// CAS 将 node 的 ws 设置为0，代表当前 node 接下来会舍弃
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 获取头节点的下一个节点
Node s = node.next;
// 如果下一个节点为null 或者 下一个节点为失效节点，需要找到离 head 最近的有效node
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从尾节点开始往前找不等于null且不是node的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
// 如果该节点有效，则将s节点指向t节点
s = t;
}
// 找到最近的node后，直接唤醒
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
问题解析：为什么要从尾结点往前查找呢 ？
因为在addWaiter方法中是先给prev指针赋值，最后才将上一个节点的next指针赋值，为了避免防止丢失节点或者跳过节点，必须从后往前找。
我们举例中head节点的状态为-1，通过CAS的方式将head节点的waitStatus设置为0
我们的头结点的后继节点是线程2所在的节点，不为null，所以这边会执行unpark操作，从上边的acquireQueued()内的parkAndCheckInterrupt()方法继续执行。
private final boolean parkAndCheckInterrupt(){
LockSupport.park(this);
//返回目标线程是否中断的布尔值:中断返回true，不中断返回false，且返回后会重置中断状态为未中断
return Thread.interrupted();
}
因为线程2未中断，所以返回false。继续执行acquireQueued()中的死循环
for (;;) {
// 获取当前节点的上一个节点
final Node p = node.predecessor();
// p为头节点，尝试获取锁操作
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null;
// 将获取锁失败标识置为false
failed = false;
// 获取到锁资源，不会被中断
return interrupted;
}
// p 不是 head 或者 没拿到锁资源，
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 基于 Unsafe 的 park方法，挂起线程
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
此时p是头节点，且能获取锁成功，将exclusiveOwnerThread设置为线程2，即线程2 获取锁资源。
将node节点设置为head节点，并将node节点的pre和thread设置为null。因为拿到锁资源了，node节点就不需要排队了。
将头节点p的next置为null，此时p节点就不在队列中存在了，可以帮助GC回收(可达性分析)。failed设置为false，表明获取锁成功；interrupted为false，则线程不会中断。
为什么被唤醒的线程要调用Thread.interrupted()清除中断标记
从上边的方法可以看出，当parkAndCheckInterrupt()方法返回true时，即Thread.interrupted()方法返回了true，也就是该线程被中断了。为了让被唤醒的线程继续执行后续获取锁的操作，
就需要让中断的线程像没有被中断过一样继续往下执行，所以在返回中断标记的同时要清除中断标记，将其设置为false。
清除中断标记之后不代表该线程不需要中断了，所以在parkAndCheckInterrupt()方法返回true时，要自己设置一个中断标志interrupted = true，为的就是当获取到锁资源执行完相关的操作之后进行中断补偿，
故而需要执行selfInterrupt()方法中断线程。
八、公平锁和非公平锁的区别
前边已经说过了，似乎非公平锁包含了公平锁的全部操作。打开公平锁的代码，我们发现accquire()方法中只有该方法的实现有点区别
hasQueuedPredecessors()返回false时才会尝试获取锁资源。该方法代码实现如下：
public final boolean hasQueuedPredecessors(){
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
h==t时，队列为空，表示没人排队，可以获取锁资源；
队列不为空，头结点有后继节点不为空且s节点获取锁的线程是当前线程也可以获取锁资源，代表锁重入操作；
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