ReentrantLock实现原理 | 奥利弗的狗窝

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Jun 13, 2024

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一、ReentrantLock概述

1.1 什么是ReentrantLock

ReentrantLock，也称为“可重入锁”，是Java中java.util.concurrent.locks包下的一个锁实现。与synchronized关键字一样，ReentrantLock用于控制多个线程对共享资源的访问。然而，ReentrantLock提供了一些额外的功能，比如可重入性、公平锁选择、条件变量等。

1.2 ReentrantLock的主要功能

可重入性：同一线程可以多次获得同一把锁，而不会发生死锁。

公平锁和非公平锁：ReentrantLock可以选择公平锁（线程按照请求锁的顺序获得锁）和非公平锁（线程抢占式获得锁）。

条件变量：ReentrantLock提供了一个Condition类，用于实现比synchronized和Object的wait/notify机制更灵活的线程通信。

二、ReentrantLock的内部结构

2.1 AbstractQueuedSynchronizer (AQS)

ReentrantLock的实现依赖于一个名为AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）的抽象类。AQS是Java中实现锁和其他同步器（如信号量、事件等）的基础框架。AQS维护一个同步状态和一个等待队列，通过原子操作和CAS（Compare-And-Swap）机制来实现线程安全。

2.1.1 同步状态

AQS通过一个int类型的变量state来表示同步状态。state的值可以表示不同的状态，如锁是否被占用，读写锁的读计数等。对于ReentrantLock，state表示锁的重入次数。

2.1.2 等待队列

AQS内部维护一个FIFO（先进先出）的等待队列，当一个线程尝试获取锁失败时，它会被加入到这个等待队列中。等待队列中的每个节点都是一个Node对象，包含了线程信息和节点状态。

2.1.3 CAS操作

AQS大量使用了CAS操作来保证同步状态的原子性。CAS操作是一种硬件级别的原子操作，能够有效避免竞态条件。

2.2 ReentrantLock的内部类

ReentrantLock有两个内部类：FairSync和NonfairSync，分别实现了公平锁和非公平锁的逻辑。这两个类都继承自AQS，并重写了相关方法。

2.2.1 FairSync

FairSync实现了公平锁，即线程按照请求锁的顺序来获取锁。具体实现时，FairSync会在每次尝试获取锁时检查等待队列，如果当前线程在等待队列中有前驱节点，就会放弃获取锁并进入等待队列。

2.2.2 NonfairSync

NonfairSync实现了非公平锁，即线程尝试获取锁时会直接竞争，不考虑等待队列中的顺序。这样可以在某些情况下提高吞吐量，但可能会导致某些线程长时间得不到锁（即“饥饿”现象）。

三、ReentrantLock的工作机制

3.1 获取锁

3.1.1 非公平锁的获取

对于非公平锁，线程在尝试获取锁时会首先使用CAS操作直接设置同步状态，如果成功则获得锁。如果失败，则进入AQS的等待队列。

3.1.2 公平锁的获取

对于公平锁，线程在尝试获取锁时会检查等待队列，如果当前线程在等待队列中有前驱节点，则进入等待队列，否则尝试获取锁。

3.2 释放锁

锁的释放操作相对简单，通过减少同步状态state的值来实现。如果state减到0，则完全释放锁，并唤醒等待队列中的下一个线程。

3.3 条件变量

ReentrantLock提供了条件变量Condition，用于实现复杂的线程通信。每个条件变量关联一个等待队列，当调用await方法时，当前线程会释放锁并进入条件等待队列。当其他线程调用signal或signalAll方法时，会唤醒等待队列中的一个或全部线程，使其重新尝试获取锁。

四、ReentrantLock的应用场景

4.1 高并发环境

在高并发环境下，ReentrantLock由于其灵活性和功能性，常常被用于替代synchronized关键字。比如在实现高性能缓存、限流器等需要精细控制的并发场景中，ReentrantLock提供了更高效和灵活的解决方案。

4.2 公平锁需求

在一些需要严格控制线程访问顺序的场景中，公平锁可以避免线程饥饿，提高系统的公平性。例如，在银行转账系统中，需要确保交易请求按照时间顺序处理，以保证资金的正确流动。

4.3 复杂的线程通信

通过Condition条件变量，ReentrantLock可以实现复杂的线程通信机制，适用于生产者-消费者模型、读写锁等场景。

五、总结

ReentrantLock作为Java并发编程中的重要工具，通过AQS框架实现了灵活且高效的锁机制。它不仅提供了基本的同步功能，还支持可重入性、公平锁选择和条件变量，适用于多种复杂并发场景。通过理解ReentrantLock的实现原理，可以更好地在实际开发中应用这一强大的同步工具，提高系统的并发性能和稳定性。