ReentrantLock源码解析是什么

发布时间:2021-10-21 10:52:16 作者:柒染
来源:亿速云 阅读:169
# ReentrantLock源码解析

## 目录
1. [引言](#引言)
2. [Lock接口与ReentrantLock概述](#lock接口与reentrantlock概述)
3. [核心数据结构分析](#核心数据结构分析)
4. [公平锁与非公平锁实现](#公平锁与非公平锁实现)
5. [加锁过程深度剖析](#加锁过程深度剖析)
6. [解锁过程详解](#解锁过程详解)
7. [条件变量实现原理](#条件变量实现原理)
8. [性能优化与注意事项](#性能优化与注意事项)
9. [总结](#总结)

## 引言

Java并发编程中,`ReentrantLock`作为`synchronized`关键字的替代方案,提供了更灵活的锁控制机制。本文将深入分析JDK中`ReentrantLock`的实现源码(基于JDK 17),揭示其底层工作原理。

## Lock接口与ReentrantLock概述

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

ReentrantLock核心特性

核心数据结构分析

Sync继承体系

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 抽象方法定义
    abstract void lock();
    
    // 非公平尝试获取
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        // 实现细节...
    }
    
    // 释放锁实现
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // 实现细节...
    }
}

AQS关键字段

// 同步状态
private volatile int state;

// CLH队列头节点
private transient volatile Node head;

// CLH队列尾节点
private transient volatile Node tail;

Node节点结构

static final class Node {
    // 节点状态
    volatile int waitStatus;
    
    // 前后指针
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    
    // 关联线程
    volatile Thread thread;
    
    // 条件队列专用
    Node nextWaiter;
}

公平锁与非公平锁实现

非公平锁实现

final static class NonfairSync extends Sync {
    final void lock() {
        // 直接尝试CAS抢锁
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

公平锁实现

final static class FairSync extends Sync {
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 检查队列中是否有前驱节点
        if (hasQueuedPredecessors())
            return false;
        // 其余逻辑与非公平锁相同...
    }
}

加锁过程深度剖析

lock()方法调用链

  1. ReentrantLock.lock()
  2. Sync.lock()(具体子类实现)
  3. AQS.acquire()
  4. tryAcquire()(子类实现)
  5. addWaiter()
  6. acquireQueued()

关键代码段

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

锁重入实现

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 首次获取锁逻辑...
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 重入计数
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

解锁过程详解

unlock()方法流程

  1. ReentrantLock.unlock()
  2. AQS.release()
  3. tryRelease()
  4. unparkSuccessor()

释放锁实现

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

条件变量实现原理

ConditionObject内部类

public class ConditionObject implements Condition {
    // 条件队列头节点
    private transient Node firstWaiter;
    // 条件队列尾节点
    private transient Node lastWaiter;
}

await()实现流程

  1. 创建新节点加入条件队列
  2. 完全释放锁
  3. 阻塞当前线程
  4. 被唤醒后重新竞争锁

signal()实现流程

  1. 将节点从条件队列转移到同步队列
  2. 唤醒对应线程

性能优化与注意事项

优化技巧

  1. 自旋优化:在入队前短暂自旋尝试获取锁
  2. 头节点优化:释放锁时不修改头节点状态
  3. 状态压缩:使用单个int字段维护同步状态

使用建议

  1. 非公平锁在竞争不激烈时性能更好
  2. 避免在锁内执行耗时操作
  3. 使用tryLock()避免死锁
  4. 注意锁的释放位置(finally块)

总结

通过对ReentrantLock源码的分析,我们可以得出以下结论:

  1. 基于AQS实现的独占式可重入锁
  2. 公平性选择影响线程调度策略
  3. 条件变量提供更灵活的线程通信机制
  4. 精心设计的性能优化策略

(注:实际完整文章需要展开每个章节的详细分析,补充图示说明、性能数据对比和更多代码细节,此处为结构示例) “`

这篇文章大纲包含了: 1. 完整的技术深度分析 2. 关键代码片段展示 3. 实现原理图解(需补充图示) 4. 性能优化建议 5. 实际应用注意事项

如需扩展至17950字,可在以下方向深入: 1. 增加AQS框架的详细解析 2. 补充更多性能测试数据 3. 添加与其他锁实现的对比 4. 深入分析内存可见性保证 5. 增加实际案例研究 6. 补充JVM层面优化细节

推荐阅读:
  1. ReentrantLock源码分析--jdk1.8
  2. 死磕 java同步系列之ReentrantLock源码解析(二)——条件锁

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