深入解析JCSprout项目中的ReentrantLock实现原理

深入解析JCSprout项目中的ReentrantLock实现原理

JCSprout 👨‍🎓 Java Core Sprout : basic, concurrent, algorithm 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/jc/JCSprout

前言

在多线程编程中，锁机制是保证线程安全的重要手段。Java提供了两种主要的锁实现方式：synchronized关键字和ReentrantLock类。本文将重点分析JCSprout项目中关于ReentrantLock的实现原理，帮助开发者深入理解这一重要并发工具的内部工作机制。

ReentrantLock概述

ReentrantLock是Java并发包(java.util.concurrent.locks)中的一个重要类，它实现了Lock接口，提供了比synchronized更灵活的锁操作。与synchronized相比，ReentrantLock具有以下特点：

1. 显式加锁和解锁，需要手动调用lock()和unlock()方法
2. 支持公平锁和非公平锁两种模式
3. 提供可中断的获取锁机制
4. 支持尝试获取锁和超时获取锁
5. 提供更丰富的条件变量支持

重入锁特性

ReentrantLock是一个可重入锁，这意味着：

• 同一个线程可以多次获得同一把锁
• 锁内部维护一个计数器记录重入次数
• 必须释放相同次数的锁才能真正释放

这种特性避免了线程自己阻塞自己的情况，使得递归调用和锁的重入成为可能。

锁的公平性

ReentrantLock提供了两种公平性策略：

1. 非公平锁（默认）

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

非公平锁的特点是：

• 新来的线程可以直接尝试获取锁，不必排队
• 吞吐量高，但可能导致某些线程长时间获取不到锁
• 实现简单，性能好

2. 公平锁

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

公平锁的特点是：

• 严格按照FIFO顺序获取锁
• 避免线程饥饿现象
• 性能相对较低，因为需要维护队列顺序

核心实现原理

ReentrantLock的实现依赖于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)框架。AQS是Java并发包中实现锁和同步器的基础框架，它使用一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。

获取锁流程

公平锁获取流程

1. 调用lock()方法
2. 通过acquire(1)尝试获取锁
3. tryAcquire()方法中：
   • 检查state是否为0（锁是否可用）
   • 检查队列中是否有等待线程（公平性保证）
   • CAS设置state
   • 设置独占线程
4. 如果获取失败，将线程包装为Node加入队列
5. 在队列中自旋或挂起等待

非公平锁获取流程

1. 首先直接尝试CAS获取锁（插队行为）
2. 如果失败，走类似公平锁的流程
3. 关键区别：tryAcquire()中不检查队列情况

释放锁流程

1. 调用unlock()方法
2. tryRelease()减少state计数
3. 当state减为0时，完全释放锁
4. 唤醒队列中的下一个等待线程

关键源码分析

锁获取的核心方法

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

这个方法实现了获取锁的标准流程：

1. 首先尝试快速获取锁(tryAcquire)
2. 如果失败，将线程加入等待队列(addWaiter)
3. 在队列中等待获取锁(acquireQueued)
4. 如果等待过程中被中断，重新标记中断状态

队列管理

AQS使用CLH队列的变体来管理等待线程，主要方法包括：

• addWaiter(): 将当前线程包装为Node加入队列尾部
• enq(): 通过自旋+CAS确保节点正确入队
• shouldParkAfterFailedAcquire(): 检查并更新前驱节点的waitStatus

线程挂起与唤醒

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

使用LockSupport.park()挂起线程，这是比Object.wait()更底层的线程阻塞机制。

性能比较

公平锁和非公平锁的主要性能差异源于：

1. 公平锁需要严格维护FIFO顺序，导致更多的上下文切换
2. 非公平锁允许插队，减少了线程切换的开销
3. 在竞争激烈的情况下，非公平锁的吞吐量明显更高

因此，在大多数场景下，非公平锁是更好的选择，这也是ReentrantLock默认使用非公平锁的原因。

最佳实践

1. 总是使用try-finally块确保锁被释放
2. 考虑使用tryLock()避免死锁
3. 在持有锁时不要调用可能阻塞的方法
4. 合理选择公平性策略
5. 对于复杂条件等待，考虑使用Condition

总结

通过分析JCSprout项目中的ReentrantLock实现，我们可以深入理解：

• AQS框架如何支撑锁的实现
• 公平锁与非公平锁的区别与实现
• 可重入特性的实现机制
• 线程排队与唤醒的细节

理解这些底层原理有助于我们更好地使用并发工具，编写高效、安全的并发程序。

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