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ReentrantLock深度解析

2025年5月30日 13点热度 0人点赞 0条评论

一、核心设计思想

1. 可重入性(Reentrancy)

定义:同一线程可多次获取同一把锁,通过计数器记录持有次数,释放时需完全解锁(计数器归零)。
示例代码:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
lock.lock();  
try {  
    lock.lock(); // 可重入,计数器+1  
    // 临界区代码  
} finally {  
    lock.unlock(); // 计数器-1  
    lock.unlock(); // 计数器归零,释放锁  
}  

2. 公平性(Fairness)

  • 公平锁:按请求顺序(FIFO)分配锁,避免线程饥饿,适合高竞争场景。
  • 非公平锁(默认):允许线程插队,减少上下文切换开销,适合低竞争场景,吞吐量更高。

3. 显式锁控制

  • 手动加锁/解锁:需通过try-finally确保锁释放,避免死锁。
  • 灵活性:支持tryLock(尝试获取)、lockInterruptibly(可中断获取)、超时获取等。

二、底层实现:AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

ReentrantLock基于AQS框架实现,通过CLH双向队列管理等待线程,核心依赖state状态变量和节点(Node)机制。

1. AQS核心机制

  • state变量:表示锁的持有计数(0为未锁定,≥1为锁定次数)。
  • CLH队列:保存等待线程的双向链表,每个节点封装线程状态(如CANCELLED、SIGNAL)。

2. 加锁流程(非公平锁为例)

file

3. 解锁流程

public void unlock() {  
    sync.release(1); // 调用AQS的release方法  
}  

// AQS的release方法  
public final boolean release(int arg) {  
    if (tryRelease(arg)) { // 尝试释放锁(ReentrantLock实现)  
        Node h = head;  
        if (h != null && h.waitStatus != 0)  
            unparkSuccessor(h); // 唤醒队列中下一个线程  
        return true;  
    }  
    return false;  
}  

三、公平锁 vs 非公平锁的源码差异

1. 非公平锁(NonfairSync)

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {  
    Thread current = Thread.currentThread();  
    int c = getState();  
    if (c == 0) {  
        if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 直接CAS,允许插队  
            setExclusiveOwnerThread(current);  
            return true;  
        }  
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 可重入  
        setState(c + acquires);  
        return true;  
    }  
    return false;  
}  

2. 公平锁(FairSync)

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  
    Thread current = Thread.currentThread();  
    int c = getState();  
    if (c == 0) {  
        if (!hasQueuedPredecessors() && // 检查队列是否有等待线程  
            compareAndSetState(0, acquires)) { // 无等待时才CAS  
            setExclusiveOwnerThread(current);  
            return true;  
        }  
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 可重入  
        setState(c + acquires);  
        return true;  
    }  
    return false;  
}  

四、高级功能与使用场景

1. 可中断锁获取(lockInterruptibly)

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
try {  
    lock.lockInterruptibly(); // 响应中断  
    // 临界区代码  
} catch (InterruptedException e) {  
    // 处理中断逻辑  
} finally {  
    lock.unlock();  
}  

2. 超时尝试获取锁(tryLock)

if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) { // 等待1秒  
    try {  
        // 临界区代码  
    } finally {  
        lock.unlock();  
    }  
} else {  
    // 超时处理  
}  

3. 条件变量(Condition)

对比synchronized的wait/notify:支持多个条件变量,实现精细化线程协作。
示例:生产者-消费者模型

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
Condition notFull = lock.newCondition(); // 队列未满条件  
Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 队列非空条件  

// 生产者  
lock.lock();  
try {  
    while (queue.isFull()) {  
        notFull.await(); // 等待队列未满  
    }  
    queue.add(item);  
    notEmpty.signal(); // 唤醒消费者  
} finally {  
    lock.unlock();  
}  

// 消费者  
lock.lock();  
try {  
    while (queue.isEmpty()) {  
        notEmpty.await(); // 等待队列非空  
    }  
    item = queue.remove();  
    notFull.signal(); // 唤醒生产者  
} finally {  
    lock.unlock();  
}  

五、最佳实践与常见问题

1. 必须手动释放锁

错误示例(可能导致死锁):

lock.lock();  
// 若此处抛出异常,锁无法释放!  
lock.unlock();  

正确做法:

lock.lock();  
try {  
    // 临界区代码  
} finally {  
    lock.unlock(); // 确保锁释放  
}  

2. 避免嵌套锁导致死锁

风险代码:

lockA.lock();  
try {  
    lockB.lock(); // 若另一线程先获取lockB,会死锁  
} finally {  
    lockB.unlock();  
    lockA.unlock();  
}  

解决方案:按固定顺序获取锁(如先锁A后锁B)。

3. 性能调优建议

  • 优先使用非公平锁:默认策略,适合大多数场景。
  • 减少锁粒度:采用分段锁(如ConcurrentHashMap的分段设计)。
  • 监控锁竞争:使用jstack或JFR分析线程阻塞情况。

六、ReentrantLock vs synchronized

特性 ReentrantLock synchronized
实现方式 JDK类,基于AQS JVM内置关键字
锁获取方式 显式调用lock()/unlock() 隐式获取(代码块/方法)
公平性 支持公平/非公平锁 仅非公平锁
可中断性 支持(lockInterruptibly) 不支持
超时机制 支持(tryLock) 不支持
条件变量 支持多个Condition 单一wait/notify
性能 高竞争下更优(可配置策略) Java 6后优化,低竞争下接近
代码复杂度 高(需手动管理锁) 低(自动释放)

七、源码分析:AQS的等待队列

// AQS中的Node类(简化版)  
static final class Node {  
    volatile int waitStatus;      // 等待状态(CANCELLED=1, SIGNAL=-1等)  
    volatile Node prev;           // 前驱节点  
    volatile Node next;           // 后继节点  
    volatile Thread thread;       // 关联的线程  
    Node nextWaiter;              // 条件队列中的下一个节点  
}  
// CLH 队列示意图
Head -> Node(Thread1, SIGNAL) ↔ Node(Thread2, CANCELLED) ↔ Tail

八、总结

设计亮点

  • 基于AQS的模板模式:将锁逻辑委托给子类(公平锁/非公平锁)实现。
  • 分离公平性策略:通过不同Sync子类支持灵活的锁分配机制。
  • 条件变量精细化控制:解决synchronized单一等待集的局限性。

适用场景

  • 需要可中断、超时或公平锁的高并发场景。
  • 复杂线程协作场景(如生产者-消费者模型、线程池任务调度)。
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本文链接:https://www.lifengdi.com/archives/article/tech/4436

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标签: AQS JAVA Lock ReentrantLock 公平锁 可重入锁 锁 非公平锁 高并发
最后更新:2025年5月30日

李锋镝

既然选择了远方,便只顾风雨兼程。

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