八股文之ReentrantLock
# ReentrantLock的原理是什么？
“ReentrantLock 是 java.util.concurrent 包下基于 AQS 实现的可重入互斥锁。**，通过一个volatile的state状态变量和一个CLH变体的双向等待队列来实现可重入的独占锁。**它主要用于替代 synchronized，但在功能上更加灵活和强大。”
# 核心实现机制
ReentrantLock 的核心原理可以概括为：AQS 框架 + CAS 原子操作 + state 状态机
1、AQS (AbstractQueuedSynchronizer)
AQS 维护了一个 volatile int state（同步状态）和一个 FIFO（先进先出）的线程等待队列（CLH 队列）。
CLH锁其实就是一种基于逻辑队列非线程饥饿的一种自旋公平锁。当多线程竞争一把锁时，获取不到锁的线程，会排队进入CLH队列的队尾，然后自旋等待，直到其前驱线程释放锁。
作用：AQS 负责管理阻塞队列、唤醒线程、维护同步状态，是锁的底层基础设施。
2、 CAS操作：
通过Unsafe类的CAS保证state变更的原子性（无锁原子算法）
3、state 状态管理：
使用一个volatile int state变量表示锁状态
state = 0：锁空闲state > 0：锁被占用，重入次数
- 等待队列：基于CLH队列变体的双向链表，保存等待获取锁的线程
# 加锁流程
非公平锁流程：
“先CAS插队抢一次，抢不到再走 AQS 排队流程。
步骤 1: 尝试 CAS 抢占（非公平插队）, AQS 的 state 状态从 0 变为 1。
步骤 2: 插队失败后，再次尝试及进入 AQS 核心流程，线程会进入 AQS 的 acquire(1)
步骤3: 还是失败，将线程包装成Node加入等待队列，进入自旋，不断尝试获取锁或挂起等待
公平锁：
# 与synchronized对比的优势
- 可中断：支持
lockInterruptibly()，等待锁时可响应中断 - 超时机制：支持
tryLock(timeout)，避免无限等待 - 公平选择：可选择公平或非公平策略
- 多条件：一个锁可以关联多个Condition
# 公平和非公平锁
非公平锁是“先抢再说”。它不关心队列里有没有人，先抢一把，抢不到再排队。
公平锁是“先排队等候”。它确保了等待时间最长的线程优先获取锁。
| 特性 | 非公平锁（默认） | 公平锁 |
|---|---|---|
| 抢锁时机 | 立即尝试 CAS 抢锁（插队）。 | 只有在队列为空时才尝试 CAS 抢锁。 |
| 队列检查 | 不检查队列，直接尝试抢。 | 严格检查队列，若有人排队则排队。 |
| 性能 | 吞吐量高。 | 吞吐量较低。 |
| 风险 | 可能导致排队线程“饥饿”。 | 保证了线程的绝对公平性。 |
| 设计理念 | 追求高性能。 | 追求严格的公平性。 |
获取锁时的行为差异：
| 场景 | 公平锁 (FairSync) | 非公平锁 (NonfairSync) |
|---|---|---|
| 锁空闲时 | 先检查队列是否有等待者 有则排队，无则尝试CAS | 直接尝试CAS抢锁 |
| 锁被持有时 | 加入队列末尾等待 | 直接尝试一次tryAcquire 失败才入队 |
| 唤醒后 | 严格按照队列顺序 | 新线程可能"插队"抢锁 |
# 公平锁
公平锁核心：
// FairSync.tryAcquire() 方法的关键部分
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) { // 锁空闲时
// ↓↓↓ 公平性的关键检查 ↓↓↓
if (!hasQueuedPredecessors() && // 检查是否有前驱等待者
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 重入逻辑与非公平锁相同...
return false;
}
// 判断队列中是否有前驱等待者
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail; // 尾节点
Node h = head; // 头节点
Node s;
// 三种情况返回true（表示有前驱等待者）：
// 1. h != t 且 (h.next == null) -> 有其他线程正在入队
// 2. h != t 且 s.thread != current -> 队首不是当前线程
// 3. h == t -> 队列为空（实际上不会执行到这里）
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
公平锁的公平性依赖于AQS的FIFO等待队列：
- 入队顺序：严格按照请求锁的时间顺序
- 出队顺序：严格按照入队顺序
- 唤醒机制：只唤醒队首线程
// 等待队列结构示意
HEAD → Node(Thread1) → Node(Thread2) → Node(Thread3) → TAIL
↑ ↑
持有锁的线程 最新等待的线程
ReentrantLock 默认是非公平锁，因为它允许新来的线程插队尝试 CAS 获取锁，这能利用线程调度的空档期，大幅提升吞吐量。而公平锁严格遵循 FIFO，虽然公平但性能较差。”
ReentrantLock通过hasQueuedPredecessors()方法实现公平性，在获取锁前先检查是否有更早的等待者。这个简单的检查机制确保了"先来先服务"的原则，但以一定的性能开销为代价。
