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在 Java 并发编程中,`ReentrantLock` 是一个非常重要的可重入互斥锁,它提供了比内置锁(synchronized)更强大的功能,如尝试获取锁、超时获取锁、支持中断等。本文将从源码角度深入分析 `ReentrantLock` 的底层实现机制,重点探讨其基于 AQS(
AbstractQueuedSynchronizer) 的工作原理。
一、ReentrantLock 的基本特性
`ReentrantLock` 是 `
java.util.concurrent.locks` 包下的类,具有以下主要特性:
● 可重入性:同一个线程可以多次获取同一把锁。
● 公平/非公平策略:支持构造参数选择是否为公平锁,默认是非公平的。
● 支持中断响应:在等待锁的过程中可以响应线程中断。
● 支持超时获取:可以在指定时间内尝试获取锁。
二、核心结构:Sync 抽象类继承 AQS
`ReentrantLock` 内部通过静态抽象类 `Sync` 继承 `
AbstractQueuedSynchronizer`(AQS),作为同步控制的基础:
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
...
}
子类 `NonfairSync` 和 `FairSync` 分别实现了非公平和公平的锁获取逻辑。
三、AQS 简要回顾
AQS 是构建锁和同步器的基础框架,其核心在于:
● 使用 `state` 表示同步状态;
● 提供 FIFO 同步队列管理阻塞线程;
● 支持独占模式和共享模式;
● 提供模板方法如 `tryAcquire`、`tryRelease` 供子类实现具体逻辑。
四、非公平锁的 tryAcquire 实现
以非公平锁为例,其 `tryAcquire` 方法简化如下:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
if (getState() == 0) {
if (compareAndSetState(0, 1)) { // CAS 尝试获取锁
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 设置当前线程为持有者
return true;
}
} else if (currentThread() == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = getState() + 1; // 重入计数增加
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
该方法逻辑清晰:
● 如果锁未被占用(`state == 0`),使用 CAS 获取锁并设置持有线程;
● 如果当前线程已持有锁,则增加重入计数;
● 否则返回 `false`,表示获取失败,需进入等待队列。
五、线程入队与等待机制
当 `tryAcquire` 返回 `false` 时,线程需要加入同步队列等待唤醒:
1. addWaiter(Node mode)
该方法负责创建节点并将其插入同步队列尾部:
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node); // 队列为空时初始化
return node;
}
2. acquireQueued(final Node node, int arg)
该方法让线程在队列中自旋等待获取锁,并处理中断:
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
其中:
● `
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)` 判断是否应阻塞当前线程;
● `parkAndCheckInterrupt()` 调用 `LockSupport.park()` 挂起线程,并返回是否被中断。
六、公平锁与非公平锁的区别
公平锁在 `tryAcquire` 中会额外判断是否有前驱节点:
if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, 1)) {
...
}
即只有当前线程是队列头节点后继时才允许获取锁,确保先进先出。
而非公平锁跳过此判断,直接尝试 CAS 获取锁,可能造成“插队”。
七、释放锁与传播唤醒机制
当线程调用 `unlock()` 时,最终调用 AQS 的 `release(int arg)` 方法:
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
其中 `tryRelease` 由 `Sync` 子类实现,用于减少重入计数或释放锁;若完全释放,则唤醒后继节点。
八、总结
`ReentrantLock` 基于 AQS 构建了一个灵活且高效的同步机制,其关键点包括:
通过对 AQS 的合理利用,`RentrantLock` 不仅提供了 synchronized 所不具备的功能,还保持了良好的性能和扩展性,是现代并发编程中的重要工具。
> 参考资料:
> - 《Java并发编程实战》
> - JDK 源码(`
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock`)
> - Doug Lea 的论文《AQS》
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