重入鎖

重入鎖 ReentrantLock，顧名思義，就是支持重進入的鎖，它表示該鎖能夠支持一個線程對資源的重復加鎖。除此之外，該鎖還支持獲取鎖時的公平和非公平性選擇

所謂不支持重進入，可以考慮如下場景：當一個線程調(diào)用 lock() 方法獲取鎖之后，如果再次調(diào)用 lock() 方法，則該線程將會被自己阻塞，原因是在調(diào)用 tryAcquire(int acquires) 方法時會返回 false，從而導致線程阻塞

synchronize 關鍵字隱式的支持重進入，比如一個 synchronize 修飾的遞歸方法，在方法執(zhí)行時，執(zhí)行線程在獲取鎖之后仍能連續(xù)多次地獲得該鎖。ReentrantLock 雖然不能像 synchronize 關鍵字一樣支持隱式的重進入，但在調(diào)用 lock() 方法時，已經(jīng)獲得鎖的線程，能夠再次調(diào)用 lock() 方法獲取鎖而不被阻塞

1. 實現(xiàn)重進入

重進入特性的實現(xiàn)需要解決以下兩個問題：

線程再次獲取鎖鎖需要去識別獲取鎖的線程是否為當前占據(jù)鎖的線程，如果是，則再次成功獲取

鎖的最終釋放線程重復 n 次獲取鎖，隨后在第 n 次釋放該鎖后，其他線程能獲取到鎖。實現(xiàn)此功能，理應考慮使用計數(shù)

ReentrantLock 通過組合自定義同步器來實現(xiàn)鎖的獲取與釋放，以非公平鎖實現(xiàn)為例，獲取同步狀態(tài)的代碼如下所示，主要是增加了再次獲取同步狀態(tài)的處理邏輯

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 判斷當前線程是否為獲取鎖的線程 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 將同步值進行增加，并返回 true int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error('Maximum lock count exceeded'); setState(nextc); return true; } return false;}

考慮到成功獲取鎖的線程再次獲取鎖，只是增加同步狀態(tài)值，這也就要求 ReentrantLock 在釋放同步狀態(tài)時減少同步狀態(tài)值，該方法代碼如下：

protected final boolean tryRelease(int releases) { // 減少狀態(tài)值 int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 當同步狀態(tài)為0，將占有線程設為null，并返回true，表示釋放成功 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free;}2. 公平與非公平獲取鎖的區(qū)別

如果一個鎖是公平的，那么鎖的獲取順序就應該符合請求的絕對時間順序，也即 FIFO。回顧上一節(jié)，非公平鎖只要 CAS 設置同步狀態(tài)成功，即表示當前線程獲取了鎖，而公平鎖則不同，代碼如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { /* * 唯一不同的就是判斷條件多了 hasQueuedPredecessors() * 該方法用來判斷當前節(jié)點是否有前驅(qū)節(jié)點 * 如果該方法返回 true，表示有線程比當前線程更早請求獲取鎖 * 因此需要等待前驅(qū)線程釋放鎖之后才能繼續(xù)獲取鎖 */ 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;}讀寫鎖

之前提到的鎖基本都是排它鎖，同一時刻只允許一個線程訪問，而讀寫鎖在同一時刻可以允許多個線程訪問，但在寫線程訪問時，所有的讀線程和其他寫線程均被阻塞。讀寫鎖維護了一對鎖，一個讀鎖和一個寫鎖，通過分離讀鎖和寫鎖，使得并發(fā)性相比一般的排它鎖有了很大提升

1. 接口示例

下面通過緩存示例說明讀寫鎖的使用方式

public class Cache { static Map<String, Object> map = new HashMap<>(); static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); static Lock r = rwl.readLock(); static Lock w = rwl.writeLock(); /** * 獲取一個 key 對應的 value */ public static Object get(String key) { r.lock(); try { return map.get(key); } finally { r.unlock(); } } /** * 設置 key 對應的 value，并返回舊的 value */ public static Object put(String key, Object value) { w.lock(); try { return map.put(key, value); } finally { w.unlock(); } } /** * 清空所有的內(nèi)容 */ public static void clear() { w.lock(); try { map.clear(); } finally { w.unlock(); } }}2. 讀寫狀態(tài)的設計

讀寫鎖同樣依賴自定義同步器來實現(xiàn)功能，而讀寫狀態(tài)就是其同步器狀態(tài)。讀寫鎖的自定義同步器需要在同步狀態(tài)（一個整型變量）上維護多個讀線程和一個寫線程的狀態(tài)，為此需要讀寫鎖將變量切分成兩部分，高 16 位表示讀，低 16 位表示寫

上圖表示一個線程已經(jīng)獲取了寫鎖，且重進入了兩次，同時也連續(xù)兩次獲取了讀鎖。通過位運算可以迅速確定讀和寫各自的狀態(tài)，假設當前同步狀態(tài)值為 S，則：

寫狀態(tài)等于 S & 0x0000FFFF（將高 16 位全部抹去） 讀狀態(tài)等于 S >>> 16（無符號右移 16 位） 當寫狀態(tài)增加 1 時，等于 S + 1 當讀狀態(tài)增加 1 時，等于 S + (1<<6)，也就是 S + 0x00010000

根據(jù)狀態(tài)的劃分能得出一個結(jié)論：S 不等于 0 時，當寫狀態(tài)（S & 0x0000FFFF）等于 0 時，則讀狀態(tài)（S >>> 16）大于 0，即讀鎖已被獲取

3. 寫鎖的獲取與釋放

寫鎖是一個支持重進入的排它鎖。如果當前線程已經(jīng)獲取了寫鎖，則增加寫狀態(tài)。如果當前線程在獲取寫鎖時，讀鎖已被獲取，或者該線程不是獲取寫鎖的線程，則當前線程進入等待狀態(tài)，獲取寫鎖的代碼如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // exclusiveCount 方法會用 c & 0x0000FFFF，即得出寫狀態(tài)個數(shù) int w = exclusiveCount(c); if (c != 0) { // 根據(jù)上面提到的推論，c 不等于 0，而 w 等于 0，證明存在讀鎖 // 當前線程也不是獲取了寫鎖的線程 if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) return false; if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) throw new Error('Maximum lock count exceeded'); setState(c + acquires); return true; } if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) return false; setExclusiveOwnerThread(current); return true;}

寫鎖的每次釋放均會減少寫狀態(tài)，當寫狀態(tài)為 0 時表示寫鎖已被釋放，從而等待的讀寫線程能夠繼續(xù)訪問讀寫鎖，同時前次寫線程的修改對后續(xù)讀寫線程可見

4. 讀鎖的獲取與釋放

讀鎖是一個支持重進入的共享鎖，它能被多個線程同時獲取，在沒有其他寫線程訪問時，讀鎖總能被成功獲取，這里對獲取讀鎖的代碼做了簡化：

protected final int tryAcquireShared(int unused) { for(;;) { int c = getState(); int nextc = c + (1<<16); if(nextc < c) { throw new Error('Maximum lock count exceeded'); } // 如果其他線程已經(jīng)獲取寫鎖，則讀取獲取失敗 if(exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread()) { return -1; } if(compareAndSetState(c, nextc)) { return 1; } }}

讀鎖的每次釋放均減少讀狀態(tài)，減少的值是 1<<16

5. 鎖降級

鎖降級指的是寫鎖降級成為讀鎖。如果當前線程擁有寫鎖，然后將其釋放，最后再獲取讀鎖，這種分段完成的過程不能稱之為鎖降級。鎖降級是指把持住寫鎖，再獲取讀鎖，隨后釋放寫鎖的過程

public void processData() { readLock.lock(); if(!update) { // 必須先釋放讀鎖 readLock.unlock(); // 鎖降級從寫鎖獲取到開始 writeLock.lock(); try { if(!update) { // 準備數(shù)據(jù)的流程（略） update = true; } readLock.lock(); } finally { writeLock.unlock(); } } try { // 使用數(shù)據(jù)的流程（略） } finally { readLock.unlock(); }}

上例中，當數(shù)據(jù)發(fā)生變更，則 update（使用 volatile 修飾）被設置為 false，此時所有訪問 processData 方法的線程都能感知到變化，但只有一個線程能獲取到寫鎖，其余線程會被阻塞在寫鎖的 lock 方法上。當前線程獲取寫鎖完成數(shù)據(jù)準備之后，再次獲取讀鎖，隨后釋放寫鎖，完成鎖降級

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