ReentrantLock(重入鎖)以及公平性

轉自 併發編程網http://ifeve.com/reentrantlock-and-fairness/

簡介

ReentrantLock的實現不僅可以替代隱式的synchronized關鍵字，而且能夠提供超過關鍵字本身的多種功能。
這裏提到一個鎖獲取的公平性問題，如果在絕對時間上，先對鎖進行獲取的請求一定被先滿足，那麼這個鎖是公平的，反之，是不公平的，也就是說等待時間最長的線程最有機會獲取鎖，也可以說鎖的獲取是有序的。ReentrantLock這個鎖提供了一個構造函數，能夠控制這個鎖是否是公平的。
而鎖的名字也是說明了這個鎖具備了重複進入的可能，也就是說能夠讓當前線程多次的進行對鎖的獲取操作，這樣的最大次數限制是Integer.MAX_VALUE，約21億次左右。
事實上公平的鎖機制往往沒有非公平的效率高，因爲公平的獲取鎖沒有考慮到操作系統對線程的調度因素，這樣造成JVM對於等待中的線程調度次序和操作系統對線程的調度之間的不匹配。對於鎖的快速且重複的獲取過程中，連續獲取的概率是非常高的，而公平鎖會壓制這種情況，雖然公平性得以保障，但是響應比卻下降了，但是並不是任何場景都是以TPS作爲唯一指標的，因爲公平鎖能夠減少“飢餓”發生的概率，等待越久的請求越是能夠得到優先滿足。

實現分析

在ReentrantLock中，對於公平和非公平的定義是通過對同步器AbstractQueuedSynchronizer的擴展加以實現的，也就是在tryAcquire的實現上做了語義的控制。

非公平的獲取語義：

01	final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {

02	final Thread current = Thread.currentThread();

03	int c = getState();

04	if (c == 0) {

05	if (compareAndSetState(0, acquires)) {

06	setExclusiveOwnerThread(current);

07	return true;

08

}

09	} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

10	int nextc = c + acquires;

11	if (nextc < 0) // overflow

12	throw new Error("Maximum lock count exceeded");

13	setState(nextc);

14	return true;

15

}

16	return false;

17

}

上述邏輯主要包括：

• 如果當前狀態爲初始狀態，那麼嘗試設置狀態；
• 如果狀態設置成功後就返回；
• 如果狀態被設置，且獲取鎖的線程又是當前線程的時候，進行狀態的自增；
• 如果未設置成功狀態且當前線程不是獲取鎖的線程，那麼返回失敗。

公平的獲取語義：

01	protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

02	final Thread current = Thread.currentThread();

03	int c = getState();

04	if (c == 0) {

05	if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {

06	setExclusiveOwnerThread(current);

07	return true;

08

}

09	} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

10	int nextc = c + acquires;

11	if (nextc < 0)

12	throw new Error("Maximum lock count exceeded");

13	setState(nextc);

14	return true;

15

}

16	return false;

17

}

上述邏輯相比較非公平的獲取，僅加入了當前線程（Node）之前是否有前置節點在等待的判斷。hasQueuedPredecessors()方法命名有些歧義，其實應該是currentThreadHasQueuedPredecessors()更爲妥帖一些，也就是說當前面沒有人排在該節點（Node）前面時候隊且能夠設置成功狀態，才能夠獲取鎖。

釋放語義：

01	protected final boolean tryRelease(int releases) {

02	int c = getState() - releases;

03	if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())

04	throw new IllegalMonitorStateException();

05	boolean free = false;

06	if (c == 0) {

07	free = true;

08	setExclusiveOwnerThread(null);

09

}

10	setState(c);

11	return free;

12

}

上述邏輯主要主要計算了釋放狀態後的值，如果爲0則完全釋放，返回true，反之僅是設置狀態，返回false。