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：當一個線程調用 lock() 方法獲取鎖之后，如果再次調用 lock() 方法，則該線程將會被自己阻塞，原因是在調用 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，在方法執行時，執行線程在獲取鎖之后仍能連續多次地獲得該鎖。ReentrantLock 雖然不能像 synchronize 關鍵字一樣支持隱式的重進入，但在調用 lock() 方法時，已經獲得鎖的線程，能夠再次調用 lock() 方法獲取鎖而不被阻塞

1. 實現重進入

重進入特性的實現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。實現此功能，理應考慮使用計數

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

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，只是增加同步狀態值，這也就要求 ReentrantLock 在釋放同步狀態時減少同步狀態值，該方法代碼如下：

protected final boolean tryRelease(int releases) { // 減少狀態值 int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 當同步狀態為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，非公平鎖只要 CAS 設置同步狀態成功，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點是否有前驅節點 * 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 * 因此需要等待前驅線程釋放鎖之后才能繼續獲取鎖 */ 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(); } } /** * 清空所有的內容 */ public static void clear() { w.lock(); try { map.clear(); } finally { w.unlock(); } }}2. 讀寫狀態的設計

讀寫鎖同樣依賴自定義同步器來實現功能，而讀寫狀態就是其同步器狀態。讀寫鎖的自定義同步器需要在同步狀態（一個整型變量）上維護多個讀線程和一個寫線程的狀態，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獲取了寫鎖，且重進入了兩次，同時也連續兩次獲取了讀鎖。通過位運算可以迅速確定讀和寫各自的狀態，假設當前同步狀態值為 S，則：

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

根據狀態的劃分能得出一個結論：S 不等于 0 時，當寫狀態（S & 0x0000FFFF）等于 0 時，則讀狀態（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。如果當前線程已經獲取了寫鎖，則增加寫狀態。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，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，即得出寫狀態個數 int w = exclusiveCount(c); if (c != 0) { // 根據上面提到的推論，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，當寫狀態為 0 時表示寫鎖已被釋放，從而等待的讀寫線程能夠繼續訪問讀寫鎖，同時前次寫線程的修改對后續讀寫線程可見

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，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) { // 準備數據的流程（略） update = true; } readLock.lock(); } finally { writeLock.unlock(); } } try { // 使用數據的流程（略） } finally { readLock.unlock(); }}

上例中，當數據發生變更，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據準備之后，再次獲取讀鎖，隨后釋放寫鎖，完成鎖降級

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