Java面试-锁的内存语义

Java面试深度解析：ReentrantLock内存语义与公平/非公平锁实现,

最新推荐文章于 2025-11-25 16:27:24 发布

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本文详细分析了ReentrantLock的源码，探讨了公平锁和非公平锁的加锁/解锁机制，重点剖析了利用volatile变量和CAS操作实现的内存语义。作者建议备考Java面试者关注算法、数据结构和设计模式等内容。

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3、锁内存的语义实现

分析ReentrantLock的源代码，来分析锁内存语义的具体实现机制。

示例代码：

package com.lizba.p1;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

```
  ReentrantLock示例代码
```
@Author: Liziba
@Date: 2021/6/10 22:17

public class ReentrantLockExample {

int a = 0;

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void writer() {

lock.lock(); // 获取锁

try {

a++;

} finally {

lock.unlock(); // 释放锁

}

public void reader() {

lock.lock(); // 获取锁

try {

int i = a;

System.out.println(i);

} finally {

lock.unlock(); // 释放锁

}

在ReentrantLock中，调用lock()方法获取锁；调用unlock()方法释放锁。

ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronized(AQS)。AQS使用一个整型的volatile变量（state）来维护同步状态，这个volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。

在这里插入图片描述

ReetrantLock的类图

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，首先分析公平锁。

使用公平锁时，加锁方法lock()的调用轨迹如下。

ReentrantLock: lock()
FairSync: lock()
AbstractQueuedSynchronizer: acquire(int arg)
ReentrantLock: tryAcquire(int acquires)

第4步开始真的加锁，下面是该方法的源代码：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

final Thread current = Thread.currentThread();

// 获取锁开始，首先读取volatile变量state

int c = getState();

if (c == 0) {

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;

}

从上面的代码中可以看出，加锁方法首先读取volatile变量state。

在使用公平锁时，解锁方法unlock()调用轨迹如下：

ReentrantLock: unlock()
AbstractQueuedSynchronizer: release(int arg)
Sync: tryRelease(int release)

第3步开始真的释放锁，下面是该方法的源代码：

protected final boolean tryRelease(int releases) {

int c = getState() - releases;

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

throw new IllegalMonitorStateException();

boolean free = false;

if (c == 0) {

free = true;

setExclusiveOwnerThread(null);

}

// 释放锁的最后，写volatile变量state

setState©;

return free;

}

从上面的代码中可以看出，释放锁的最后写volatile变量state。

总结公平锁：

根据volatile的happens-before规则，释放锁的线程在写volatile变量之前可见的共享变量，在获取锁的线程读取到同一个volatile变量后将立即变得对获取锁的线程可见。

现在分析非公平锁：

注意，非公平锁的释放和公平锁的释放完全一致，都是上面的源代码。所以下面只分析非公平锁的获取过程。

使用非公平锁，加锁方法lock()的调用轨迹如下：

ReentrantLock: lock()
NonfairSync: lock()
AbstractQueuedSynchronizer: compareAndSetState(int expect, int update)

第3步开始真的加锁，下面是该方法的源代码：

// 方法1

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {

final Thread current = Thread.currentThread();

int c = getState();

if (c == 0) {

// 此方法中开始加锁

if (compareAndSetState(0, acquires)) {

setExclusiveOwnerThread(current);

return true;

}

else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

int nextc = c + acquires;

if (nextc < 0) // overflow

throw new Error(“Maximum lock count exceeded”);

setState(nextc);

return true;

}

return false;

}

// 方法2

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {

// See below for intrinsics setup to support this

// 该方法是native方法，在JVM中实现

return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);

}

该方法以原子操作的方式更新state变量，也就是compareAndSet() (CAS)操作。JDK文档对该方法说明如下：如果当前状态值等于预期值，则以原子方式同步状态设置为给定更新的值。此操作具有volatile读和写的内存语义。

接下来分别从编译器和处理器的角度来分析，CAS如何同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

编译器的角度：

前文已经讲过，编译器不会对volatile读与volatile读后面的任意内存操作重排序；编译器不会对volatile写和volatile写后前面的任意内存操作重排序。组合这两个条件，意味着同时实现volatile读和volatile写的内存语义，编译器不能对CAS与CAS前面和后面任意内存操作重排序。

处理器的角度：

（本人不太懂C++）这一块总结需要看JVM源码，可能会总结错误，如需要深入理解这一块请查看《Java并发编程艺术》53页。

sun.misc.Unsafe中的compareAndSwapInt源码如下：（不懂Unsafe请看往期文章）

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

这是一个本地方法。这个本地方法会在openJDK中调用C++代码，假设当前是X86处理器，程序会根据当前处理器的类型来决定是非cmpxchg指令添加lock前缀。如果：