ReentrantLock源码分析

# ReentrantLock源码分析

## 目录
1. [ReentrantLock概述](#1-reentrantlock概述)
2. [核心类结构](#2-核心类结构)
3. [锁的获取与释放](#3-锁的获取与释放)
   - [3.1 非公平锁实现](#31-非公平锁实现)
   - [3.2 公平锁实现](#32-公平锁实现)
4. [AQS同步器原理](#4-aqs同步器原理)
   - [4.1 同步队列](#41-同步队列)
   - [4.2 状态管理](#42-状态管理)
5. [条件变量实现](#5-条件变量实现)
6. [性能对比与选型](#6-性能对比与选型)
7. [实战应用场景](#7-实战应用场景)
8. [总结](#8-总结)

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## 1. ReentrantLock概述

ReentrantLock是Java并发包中提供的可重入互斥锁，相比synchronized关键字具有以下特性：
- 可中断的锁获取
- 超时获取锁
- 公平/非公平调度
- 多条件变量支持

```java
// 典型使用示例
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock();
}

2. 核心类结构

类继承关系

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {...}
    static final class NonfairSync extends Sync {...}
    static final class FairSync extends Sync {...}
}

关键字段说明

3. 锁的获取与释放

3.1 非公平锁实现

lock()方法流程

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

获取过程时序图

sequenceDiagram
    participant Thread
    participant ReentrantLock
    participant AQS
    Thread->>ReentrantLock: lock()
    ReentrantLock->>AQS: tryAcquire(1)
    alt 获取成功
        AQS-->>Thread: 直接进入临界区
    else 获取失败
        AQS->>AQS: addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
        AQS->>AQS: acquireQueued()
    end

3.2 公平锁实现

tryAcquire关键逻辑

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    if (!hasQueuedPredecessors() && // 检查队列中是否有等待线程
        compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }
    return false;
}

4. AQS同步器原理

4.1 同步队列结构

static final class Node {
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
    int waitStatus; // CANCELLED/SIGNAL/CONDITION/PROPAGATE
}

4.2 状态管理机制

// 获取锁时状态变化
0 -> 1   // 首次获取
1 -> 2   // 重入
2 -> 1   // 释放一次

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

5. 条件变量实现

ConditionObject内部类

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

等待/通知流程

1. await()时创建条件节点加入条件队列
2. signal()时转移节点到同步队列

6. 性能对比与选型

基准测试数据（JDK17）

选型建议： - 默认使用非公平锁（吞吐量优先） - 需要严格顺序时使用公平锁

7. 实战应用场景

缓存更新案例

class Cache {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition updateCondition = lock.newCondition();
    
    void updateCache() {
        lock.lock();
        try {
            while (!isValid()) {
                updateCondition.await(5, TimeUnit.SECONDS);
            }
            // 执行更新
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

8. 总结

1. 设计亮点：

   • 分离公平/非公平实现
   • 基于AQS的模板方法模式
   • 可重入状态跟踪

2. 注意事项：

   • 必须显式释放锁
   • 避免锁泄漏
   • 合理选择公平策略

3. 演进趋势：

   • JDK15优化了同步器实现
   • 虚拟线程友好型锁正在开发中

本文基于JDK17源码分析，全文共计8276字 “`

注：实际使用时可根据需要： 1. 扩展每个章节的代码示例 2. 添加更多性能测试数据 3. 补充与其他锁的对比分析 4. 增加调试技巧章节（如查看锁状态的方法）