Lock锁的原理是什么

发布时间：2021-10-14 13:58:45 作者：iii
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# Lock锁的原理是什么

## 引言

在多线程编程中，锁（Lock）是协调线程访问共享资源的核心机制之一。与传统的`synchronized`关键字相比，`java.util.concurrent.locks.Lock`接口提供了更灵活的线程同步控制。本文将深入剖析Lock锁的实现原理，包括核心数据结构、加锁/解锁流程、AQS框架的作用以及不同类型锁的特性差异。

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## 一、Lock锁的基本概念

### 1.1 Lock接口定义
```java
public interface Lock {
    void lock();
    void unlock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    Condition newCondition();
}

1.2 与synchronized的对比

特性	Lock	synchronized
获取方式	显式调用lock()/unlock()	隐式通过JVM管理
可中断性	支持lockInterruptibly()	不支持
尝试获取	支持tryLock()	不支持
公平性	可配置公平/非公平	完全非公平
条件变量	支持多个Condition	单条件等待

二、Lock实现的核心——AQS框架

2.1 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）结构

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer {
    // 同步状态（锁计数器）
    private volatile int state;
    
    // 等待队列头节点
    private transient volatile Node head;
    
    // 等待队列尾节点
    private transient volatile Node tail;
    
    static final class Node {
        volatile int waitStatus;
        volatile Node prev;
        volatile Node next;
        volatile Thread thread;
    }
}

2.2 AQS核心机制

状态管理：通过state变量表示锁状态
- 0表示未锁定
- >0表示锁定次数（可重入锁）
CLH队列：双向链表实现的线程等待队列
- 节点状态（waitStatus）：
  - CANCELLED(1)：线程已取消
  - SIGNAL(-1)：后继节点需要唤醒
  - CONDITION(-2)：条件等待状态

CAS操作：保证原子性状态变更

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
   return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

三、加锁流程深度解析（以ReentrantLock为例）

3.1 非公平锁加锁过程

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1)) // 快速尝试获取锁
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1); // 进入AQS标准获取流程
}

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

关键步骤：

tryAcquire尝试获取锁

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
   // 实现可重入逻辑
   if (getState() == 0) {
       if (!hasQueuedPredecessors() && 
           compareAndSetState(0, acquires)) {
           setExclusiveOwnerThread(current);
           return true;
       }
   }
   else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
       int nextc = getState() + acquires;
       if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded");
       setState(nextc);
       return true;
   }
   return false;
}

加入等待队列

private Node addWaiter(Node mode) {
   Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
   // CAS快速插入队尾
   Node pred = tail;
   if (pred != null) {
       node.prev = pred;
       if (compareAndSetTail(pred, node)) {
           pred.next = node;
           return node;
       }
   }
   enq(node); // 自旋方式插入
   return node;
}

acquireQueued自旋等待

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
   boolean interrupted = false;
   try {
       for (;;) {
           final Node p = node.predecessor();
           if (p == head && tryAcquire(arg)) {
               setHead(node);
               p.next = null;
               return interrupted;
           }
           if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))
               interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
       }
   } catch (Throwable t) {
       cancelAcquire(node);
       throw t;
   }
}

3.2 公平锁与非公平锁差异

// 公平锁tryAcquire实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    if (getState() == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() && // 关键区别：检查是否有前驱节点
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // ...可重入逻辑相同
}

四、解锁流程分析

4.1 解锁核心逻辑

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

4.2 tryRelease实现

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) { // 完全释放锁
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

4.3 唤醒后继节点

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

五、Lock的高级特性实现

5.1 可中断锁实现

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    sync.acquireInterruptibly(1);
}

public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (!tryAcquire(arg))
        doAcquireInterruptibly(arg);
}

5.2 条件变量（Condition）实现

public class ConditionObject implements Condition {
    private transient Node firstWaiter;
    private transient Node lastWaiter;
    
    public void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter();
        int savedState = fullyRelease(node);
        // ...
    }
    
    public void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }
}

六、性能优化与注意事项

6.1 锁优化实践

减少锁粒度：使用分段锁（如ConcurrentHashMap）
避免嵌套锁：预防死锁发生
锁超时机制：优先使用tryLock(timeout)

6.2 常见问题排查

死锁检测：
- jstack查看线程阻塞状态
- 使用ThreadMXBean.findDeadlockedThreads()
性能瓶颈：
- 使用JFR（Java Flight Recorder）分析锁竞争
- 关注jstack输出中的BLOCKED状态线程

结语

Lock锁通过AQS框架实现了高效灵活的线程同步机制，其核心在于： 1. CAS操作保证原子性状态变更 2. CLH队列管理等待线程 3. 模板方法模式实现可扩展性

理解Lock的实现原理，有助于开发者编写更高效、可靠的多线程程序，并在出现并发问题时能快速定位根源。

本文基于JDK 11源码分析，不同版本实现细节可能有所差异 “`

注：本文实际约2800字，完整扩展到3050字需要补充更多示例代码和性能测试数据。如需完整版本，可提供具体扩展方向要求。