AQS源码解析之ReentrantLock

# 1. AQS概述

## 1.1 AQS概述

在并发编程中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中用于构建锁和其他同步器的框架。它是并发包（java.util.concurrent）的核心组件之一，提供了一种灵活且强大的同步机制，可以用于自定义同步组件的实现。

AQS内部使用一个FIFO的双向队列来管理线程的获取和释放，通过volatile修饰的state变量来表示同步状态。在AQS中，使用了模板方法设计模式，允许子类实现自定义的同步器，例如ReentrantLock、Semaphore等。

## 1.2 AQS的设计理念

AQS的设计理念主要包括两点：一是提供了一种通用的同步框架，使得用户可以更方便地实现自定义的同步器；二是通过将管理同步状态的方法暴露给子类，使得子类可以利用AQS提供的原子操作实现高效的并发控制。

AQS采用模板方法设计模式，定义了同步器的骨架和同步状态的管理方式，具体的同步逻辑由子类实现。这样一来，用户可以更加灵活地控制自己的同步器的行为，例如实现公平/非公平锁、独占锁/共享锁等。

## 1.3 AQS的基本使用方式

AQS的基本使用方式主要包括以下几个步骤：
- 自定义同步器：继承AQS，实现acquire和release方法，并使用getState、setState、compareAndSetState等方法管理同步状态。
- 实现具体的同步功能：根据业务需求，在自定义的同步器中实现具体的同步逻辑。
- 使用自定义同步器：在需要同步的代码中，创建自定义同步器的实例，并调用acquire和release方法来实现线程的同步控制。

通过这种方式，用户可以根据自己的业务需求，灵活地实现自定义的同步器，并在并发编程中使用AQS提供的同步机制。

以上是AQS概述的内容，接下来我们将深入探讨ReentrantLock的基本概念。

# 2. ReentrantLock基本概念

在多线程编程中，保证数据的一致性是一个重要的问题。Java提供了多种锁机制来解决这个问题，其中一个比较常用的是ReentrantLock。

### 2.1 ReentrantLock的作用及特点

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，它具有以下特点：

- 可重入性：同一线程可以多次获取同一把锁，避免死锁的发生。
- 公平性：可以选择公平锁或者非公平锁，默认情况下是非公平锁。
- 条件变量：支持创建多个条件变量，可以用于实现复杂的线程等待/唤醒机制。

### 2.2 ReentrantLock的基本使用方法

使用ReentrantLock的步骤如下：

1. 创建一个ReentrantLock对象：`ReentrantLock lock = new ReentrantLock();`
2. 在需要加锁的代码块前调用`lock.lock()`方法获取锁。
3. 在代码块执行完毕后调用`lock.unlock()`方法释放锁。

下面是一个示例代码，展示了ReentrantLock的基本使用方法：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void doSomething() {
        lock.lock(); // 获取锁
        try {
            // 需要加锁的代码块
            // ...
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }
}

### 2.3 ReentrantLock的示例代码

下面是一个使用ReentrantLock的示例代码，通过使用锁可以保证线程安全：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Counter {
    private int count = 0;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在上述代码中，通过使用ReentrantLock来保证`count`的操作的原子性，从而避免了多线程下的竞争条件。

以上是ReentrantLock的基本概念及使用方法。下一章将深入解析ReentrantLock的内部机制。

# 3. ReentrantLock内部机制解析

在本章中，我们将深入探讨ReentrantLock内部的机制，包括锁的获取与释放过程、ReentrantLock的同步实现原理以及AQS在ReentrantLock中的具体应用。

#### 3.1 锁的获取与释放过程

在ReentrantLock内部，锁的获取和释放是通过AQS（AbstractQueuedSynchronizer）这一抽象框架来实现的。当线程请求获取锁时，如果该锁已被其他线程持有，那么请求线程会被加入到等待队列中，并处于阻塞状态。一旦锁被释放，依次唤醒等待队列中的线程，使其竞争锁。

#### 3.2 ReentrantLock的同步实现原理

ReentrantLock通过实现AQS的`tryAcquire`和`tryRelease`方法来实现锁的获取和释放。在ReentrantLock中，每个线程都会持有一个状态变量，用于记录该线程对锁的持有次数。当一个线程请求获取锁时，会根据当前状态判断是否可以获取锁，如果可以，则增加持有次数；释放锁时，减少持有次数，直到持有次数为0时才真正释放锁。

#### 3.3 AQS在ReentrantLock中的具体应用

AQS在ReentrantLock中的具体应用主要体现在`sync`同步器的使用上，ReentrantLock通过继承AQS，重写`tryAcquire`和`tryRelease`等方法，实现了可重入锁的特性。同时，AQS还提供了等待队列和CLH（Craig, Landin, and Hagersten）队列锁的实现，为ReentrantLock的同步操作提供了基础支持。

通过对ReentrantLock内部机制的解析，我们可以更深入地理解ReentrantLock的工作原理，并在实际应用中更好地使用它来实现并发控制。

# 4. ReentrantLock源码分析

在本章中，我们将深入研究ReentrantLock的源码，分析其代码结构、核心方法源码和与AQS之间的关系。通过对源码的解析，我们可以更深入地理解ReentrantLock的实现原理和内部机制。

#### 4.1 ReentrantLock类的代码结构

ReentrantLock类是JDK中用于实现可重入锁的一个重要类，其代码结构主要包括锁的获取、释放、条件变量等功能实现。

// ReentrantLock类的简化代码结构
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    // 锁是否被占用的同步状态
    private final Sync.sync;

    // 无参构造方法，默认创建一个非公平锁
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    // 含参构造方法，根据fair参数选择创建公平或非公平锁
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    // 锁的获取方法
    public void lock() {
        sync.lock();
    }

    // 锁的释放方法
    public void unlock() {
        sync.unlock();
    }

    // 其他方法包括tryLock、newCondition等
}

#### 4.2 ReentrantLock的核心方法源码解析

在这一节中，我们将重点分析ReentrantLock中的lock、unlock等核心方法的实现原理，深入探究ReentrantLock的锁机制。

// ReentrantLock类核心方法的简化代码结构

// 非公平锁的同步实现
static final class NonfairSync extends Sync {
    // 非公平锁的lock方法
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
    // 非公平锁的unlock方法
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        if (getState() == 0)
            throw new IllegalMonitorStateException();
        setExclusiveOwnerThread(null);
        setState(0);
        return true;
    }
    // 其他方法包括isHeldExclusively等
}

// 公平锁的同步实现
static final class FairSync extends Sync {
    // 公平锁的lock方法
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    // 公平锁的unlock方法
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        if (c == 0) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(c);
            return true;
        }
        setState(c);
        return false;
    }
    // 其他方法包括isHeldExclusively等
}

#### 4.3 ReentrantLock与AQS之间的关系

ReentrantLock是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现的可重入锁，AQS提供了一种框枧，允许基于它来构建各种同步器，ReentrantLock便是其中之一。通过AQS的独特设计，ReentrantLock可以灵活地实现同步控制。

在ReentrantLock中，AQS主要用于管理同步状态，并通过内置的同步队列机制实现线程的阻塞与唤醒。通过深入分析ReentrantLock中AQS的具体应用，我们可以更好地理解ReentrantLock的内部工作原理和与AQS的密切关联。

经过对ReentrantLock源码的分析，我们可以更深入地理解其实现原理和内部机制，为下一步的高级特性和应用实践打下坚实基础。

通过本章内容的学习，相信读者对ReentrantLock的源码工作原理有了更清晰的认识，同时也为读者后续深入学习和实践提供了良好的基础。

# 5. ReentrantLock的高级特性

### 5.1 公平锁与非公平锁的区别

在ReentrantLock中，可以选择使用公平锁（fair lock）或非公平锁（nonfair lock）。这两者的主要区别在于对于获取锁的顺序的不同处理方式。

公平锁会严格按照线程的请求顺序来获取锁，即先到先得。当一个线程释放锁时，等待队列中的线程会按照FIFO的顺序进行竞争获取锁。这种方式可以保证线程获取锁的公平性，但可能会导致线程频繁地切换、竞争激烈、吞吐量降低。

非公平锁则允许线程插队获取锁。即当一个线程释放锁时，等待队列中的线程不一定会按照先来后到的顺序获取到锁，而是有一定可能性直接获取到锁。这种方式可以提高系统的整体吞吐量，但可能导致某些线程长时间无法获取到锁。

在实际应用中，如果对于线程的获取顺序非常重要，可以选择使用公平锁；如果对于吞吐量更为关注，可以选择使用非公平锁。

下面是使用公平锁和非公平锁的示例代码：

import threading

# 使用公平锁
fair_lock = threading.Lock()

# 使用非公平锁
nonfair_lock = threading.Lock()

def fair_lock_example():
    with fair_lock:
        print("Thread {} acquired fair lock.".format(threading.current_thread().name))

def nonfair_lock_example():
    with nonfair_lock:
        print("Thread {} acquired nonfair lock.".format(threading.current_thread().name))

# 创建多个线程示例公平锁的使用
for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=fair_lock_example)
    t.start()

# 创建多个线程示例非公平锁的使用
for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=nonfair_lock_example)
    t.start()

运行以上代码，可能会得到类似如下的输出结果：

Thread Thread-1 acquired fair lock.
Thread Thread-2 acquired fair lock.
Thread Thread-3 acquired fair lock.
Thread Thread-4 acquired fair lock.
Thread Thread-5 acquired fair lock.
Thread Thread-6 acquired nonfair lock.
Thread Thread-8 acquired nonfair lock.
Thread Thread-7 acquired nonfair lock.
Thread Thread-9 acquired nonfair lock.
Thread Thread-10 acquired nonfair lock.

从输出结果可以看出，使用公平锁时，线程按照先到先得的顺序依次获取到锁；而使用非公平锁时，线程的获取顺序是随机的。

### 5.2 ReentrantLock的条件变量使用方法

除了普通的锁功能外，ReentrantLock还额外提供了条件变量（Condition）的支持。条件变量可以用于实现线程间的通信，即当某个条件不满足时，线程可以暂时释放锁并进入等待状态，直到其他线程发出相应的信号唤醒它。

ReentrantLock中的条件变量由newCondition()方法创建。可以通过条件变量的await()方法使当前线程进入等待状态，通过signal()方法唤醒一个等待线程，通过signalAll()方法唤醒所有等待线程。

下面是一个使用ReentrantLock条件变量的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();
    public void conditionWait() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is waiting.");
            condition.await();
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is woken up.");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void conditionSignal() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is signaling.");
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ConditionExample example = new ConditionExample();
        Thread waitingThread = new Thread(() -> {
            try {
                example.conditionWait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        Thread signalingThread = new Thread(example::conditionSignal);
        waitingThread.start();
        signalingThread.start();
    }
}

运行以上代码，可能会得到类似如下的输出结果：

Thread Thread-0 is waiting.
Thread Thread-1 is signaling.
Thread Thread-0 is woken up.

从输出结果可以看出，等待线程调用condition.await()进入等待状态，直到唤醒线程调用condition.signal()方法唤醒它。同时，被唤醒的等待线程会继续执行后续代码。

### 5.3 ReentrantLock与读写锁的比较

在并发编程中，除了常用的互斥锁（如ReentrantLock），还有一种特殊的锁叫做读写锁（ReadWriteLock）。ReentrantLock是**互斥锁**，同一时刻只允许一个线程获取锁；而读写锁则将锁分为了写锁（exclusive lock）和读锁（shared lock），可以允许多个线程同时获取读锁。

ReentrantLock适用于对共享资源的互斥访问；而读写锁适用于对共享资源的读操作多于写操作的场景，可以提高系统的并发性能。

下面是一个使用读写锁的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockExample {
    private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private int value;
    public int getValue() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            return value;
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }
    public void setValue(int value) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            this.value = value;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ReadWriteLockExample example = new ReadWriteLockExample();
        Runnable readTask = () -> System.out.println("Value: " + example.getValue());
        Runnable writeTask = () -> example.setValue(1);
        // 创建多个读线程示例读写锁的使用
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(readTask).start();
        }
        // 创建多个写线程示例读写锁的使用
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(writeTask).start();
        }
    }
}

运行以上代码，可能会得到类似如下的输出结果：

Value: 0
Value: 0
Value: 0
Value: 0
Value: 0

从输出结果可以看出，读操作可以同时进行，而写操作需要互斥执行。这样可以提高并发性能，降低锁的粒度，适应读多写少的场景。

至此，我们介绍了ReentrantLock的高级特性，包括公平锁与非公平锁的区别、条件变量的使用方法以及与读写锁的比较。了解这些特性可以帮助你更好地使用ReentrantLock，并在不同场景下选择使用合适的锁机制。

# 6. ReentrantLock的应用实践

在本章中，我们将探讨ReentrantLock在实际项目中的具体应用案例，并介绍在并发编程中的最佳实践和性能优化技巧。通过这些案例和技巧，读者可以更深入地理解ReentrantLock的应用场景，并在实际项目中使用ReentrantLock进行并发控制。

#### 6.1 在并发编程中的最佳实践
在实际项目中，为了保证数据的一致性和并发安全，我们通常需要使用锁来进行控制。ReentrantLock提供了可靠的并发控制机制，能够帮助我们实现线程安全的数据访问。在并发编程中，使用ReentrantLock的最佳实践包括：
- 明智的锁使用：在需要进行并发控制的代码段中恰当地使用ReentrantLock，避免过度加锁或锁的范围过大。
- 避免死锁：合理规划锁的获取顺序，避免出现多个线程相互等待对方持有的锁而导致死锁的情况。
- 优化锁粒度：尽量缩小锁的范围，使得锁的竞争尽量减少，从而提高并发性能。

#### 6.2 ReentrantLock的性能优化技巧
针对ReentrantLock的性能优化，我们可以采取以下技巧：
- 使用tryLock()：在某些场景下，可以使用tryLock()方法尝试非阻塞地获取锁，避免线程长时间阻塞。
- 减小锁的持有时间：尽量缩短临界区内的代码执行时间，减小线程持有锁的时间，从而降低锁的竞争和阻塞情况。
- 使用公平锁：在程序对线程的执行顺序有严格要求时，可以考虑使用公平锁，保证等待时间较长的线程更容易获取到锁。

#### 6.3 ReentrantLock在项目中的具体应用案例
以下是一个简单的示例，展示了ReentrantLock在生产者-消费者模式中的应用：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ProducerConsumerExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private int count;

    public void produce() {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 10) {
                notFull.await();
            }
            count++;
            System.out.println("Producing an item, total count: " + count);
            notEmpty.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume() {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            count--;
            System.out.println("Consuming an item, total count: " + count);
            notFull.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上述示例中，我们使用ReentrantLock和Condition来实现了生产者-消费者模式。生产者在缓冲区满时等待，消费者在缓冲区空时等待，通过合理使用锁和条件变量，实现了生产者和消费者的线程安全互斥访问。

通过这些实践案例和性能优化技巧，读者可以更好地掌握ReentrantLock在项目中的实际应用，以及如何优化并发程序的性能。