剖析基于 AQS 的 ReentrantLock 的内部原理
2023-09-07 02:48:45
揭开 ReentrantLock 的神秘面纱：基于 AQS 的同步利器
在多线程编程的迷宫中，同步机制犹如迷雾中的灯塔，指引着线程之间的协调与协作。而 ReentrantLock 作为 Java 中一颗耀眼的明星，凭借其可重入性和高效性，在同步的舞台上大放异彩。这篇文章将带你踏上探索 ReentrantLock 内部世界的旅程，揭开它基于 AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 的神秘面纱。
AQS：同步的基石
ReentrantLock 的核心秘密藏匿在 AQS 之中，这是一个由 Java 语言的设计大师 Doug Lea 倾心打造的通用同步框架。AQS 就像一个强大的巫师，施展着原子的法术，管理着同步的状态、安抚着躁动不安的线程，还搭建起了一个秩序井然的队列模型。它将同步原语抽象为一组核心概念：
- 队列模型： 想象一个整齐的队伍，线程们按照先来后到的顺序排队，焦急地等待着获取锁的通行证。
- 状态： 同步状态被一个整数值巧妙地表示，它记录着锁的持有状态，就像一个故事中的主角，记录着自己的跌宕起伏。
- 同步操作： acquire、release 和 tryAcquire 这些方法就像小精灵一样，在同步状态上施展原子性的魔法，确保线程安全地获取或释放锁。
ReentrantLock 的登场
ReentrantLock 继承了 AQS 的衣钵，并将其同步机制发扬光大。它通过以下几个巧妙的数据结构，将锁的状态管理得井井有条：
- state： 一个充满智慧的整数值，记录着锁的持有次数，正数代表已经获得锁的次数，而 0 则表示锁处于未锁定的状态。
- owner： 一个指向当前锁持有者的线程的指针，当它为 null 时，就意味着锁还未被占领。
- queue： 一个由 AQS 精心管理的队列，收纳着那些翘首以盼获取锁的线程。
获取锁的奇幻之旅
当一个线程急不可耐地想获取 ReentrantLock 时，它会敲响 acquire 方法的大门。这时，AQS 就会施法：
- 它首先审视一下 state 的容颜，如果它为 0，就意味着锁还没有被占领，于是它施展一个咒语，将 owner 指向当前线程，并施加一个增益法术，让 state 的计数加 1。如果一切顺利，线程就成功获取了锁。
- 然而，如果 state 不为 0，就说明锁已经被占领了，这时线程只好无奈地加入队列，耐心地排队等待。
- 当锁的持有者仁慈地释放了锁（将 state 设为 0），队列中的第一个线程就会被唤醒，它迫不及待地尝试获取锁。
可重入特性的魔法
ReentrantLock 的可重入特性就像一个无形的魔法盾，让一个线程可以多次获取同一把锁，而不用担心陷入死锁的深渊。当一个线程已经持有锁时，再次尝试获取同一把锁，它会直接施加一个增益法术，让 state 的计数再次加 1，而不会进入队列等待。
性能优化的秘诀
为了让 ReentrantLock 性能如闪电般迅捷，它运用了以下几个巧妙的优化技术：
- CAS 操作： 就像一个灵巧的变魔术师，CAS 操作可以原子性地更新 state 和 owner 的值，确保每一次更新都万无一失。
- 自旋等待： 当获取锁失败时，线程不会立刻放弃，它会优雅地自旋一段时间，就像一个焦急的观众等待着舞台上精彩的演出。这样可以避免频繁切换线程上下文，让程序运行得更加流畅。
- 公平锁： 如果你是一个公平公正的人，可以通过构造函数指定公平性，让线程按照先来后到的顺序获取锁，避免饥饿现象。
应用场景的星光璀璨
ReentrantLock 的身影活跃在多线程编程的各个角落，它就像一个多面手，可以胜任各种需要同步控制的场景：
- 资源访问保护： 就像一个忠诚的卫士，ReentrantLock 可以保护共享资源，防止多个线程同时访问，避免数据混乱。
- 数据结构同步： 对于那些容易迷失在多线程迷宫中的数据结构，ReentrantLock 可以伸出援手，让它们保持井然有序。
- 并发队列实现： 如果你想打造一个井井有条的并发队列，ReentrantLock 可以为你提供坚实的后盾。
- 线程通信与协作： ReentrantLock 可以成为线程之间沟通交流的桥梁，让它们协同合作，共同完成任务。
结论：同步之光的指引
ReentrantLock 就像一个多才多艺的巫师，基于 AQS 的同步机制赋予它强大的力量。它可重入、高效、灵活，在多线程编程的世界里游刃有余。无论你是初入多线程编程的菜鸟，还是经验丰富的魔法师，ReentrantLock 都能为你提供可靠的同步屏障，指引你踏上多线程编程的康庄大道。
常见问题解答
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ReentrantLock 和 synchronized 有什么区别？
ReentrantLock 和 synchronized 都可以实现同步，但它们的工作原理不同。synchronized 是基于 Java 监视器实现的，而 ReentrantLock 则基于 AQS。ReentrantLock 提供了更细粒度的控制和更灵活的配置选项。 -
什么是公平锁和非公平锁？
公平锁按照先来后到的顺序分配锁，而非公平锁则可能优先分配给已经持有其他锁的线程。公平锁可以避免饥饿现象，但性能可能稍低。 -
如何避免 ReentrantLock 引起的死锁？
避免死锁的一个关键原则是不要在同一个锁上嵌套获取锁。如果需要在多个锁上同步，应遵循一个固定的加锁顺序。 -
ReentrantLock 在高并发场景下的性能如何？
ReentrantLock 在高并发场景下性能良好，它采用了自旋等待和公平锁等优化技术。不过，如果竞争非常激烈，可以考虑使用更高级别的同步机制，如 StampedLock 或 ConcurrentHashMap。 -
什么时候应该使用 ReentrantLock？
ReentrantLock 适用于需要精细控制同步、灵活配置或可重入性的场景。例如，资源访问保护、数据结构同步和并发队列实现。
