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ReentrantLock 实现公平锁和非公平锁的原理！

news 来源：原创 2025/6/9 2:24:05

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想象一下，有一个很受欢迎的公共厕所 🚽，同一时间只能一个人进去。

ReentrantLock 就好比是这个厕所的门锁管理员。他负责管理谁能进去。

深入了解 ReentrantLock 请看：ReentrantLock：可定制的“VIP 包间”

核心原理：AQS

ReentrantLock 的底层依赖一个叫做 AQS 的框架。你可以把 AQS 理解为一个通用的排队和状态管理系统。

状态 (State): AQS 内部有一个 state 变量（是个整数）。在 ReentrantLock 里：
- state = 0: 表示厕所现在没人，门是空闲的 ✅。
- state > 0: 表示厕所有人，门被占用了 🔒。这个数字还表示同一个人重复进入（重入）了多少次。比如一个人进去后，又在里面锁了一层门，state 就变成 2。
等待队列 (Queue): AQS 维护了一个等待队列。这个队列像银行排队的队伍一样，是先进先出 (FIFO) 的 🚶‍♂️🚶‍♀️🚶‍♂️。想上厕所但发现里面有人的人（线程），就会被安排到这个队列里排队等着。

非公平锁 (Nonfair Lock) - 默认模式

解释： 就像一个秩序不太好的厕所。
- 当你（线程）想上厕所时，你首先会冲到门口 🏃💨，猛地推一下门，看看是不是正好没人（尝试用 CAS 原子操作直接把 state 从 0 改成 1）。
- 如果正好没人，恭喜你 🎉，你直接就进去了！哪怕旁边已经有人在排队等了很久，你也可能因为动作快而“插队”成功。
- 如果里面有人（推门失败，state 不是 0），或者你尝试抢锁的那一下正好别人也抢成功了，那你没办法 😟，只能乖乖去队伍（AQS 队列）后面排着。
- 当里面的人出来（释放锁）时，管理员（AQS）会唤醒 ⏰ 队伍最前面的人。但是，与此同时，如果又有一个新人跑过来直接推门 🏃💨，并且正好成功了，那这个刚被唤醒、正准备进去的人可能又得等一下。
底层实现关键点：
- 调用 lock() 时，先尝试直接获取锁（CAS 修改 state）。
- 获取失败，才把自己加入 AQS 等待队列。
- 释放锁时，唤醒队头节点，但新来的线程仍有机会抢先获取锁。
优点： 可能性能更好，吞吐量更高 🚀。因为减少了线程挂起和唤醒的次数（如果运气好直接抢到锁，就不用排队和被唤醒了）。
缺点： 可能导致饥饿 😩。排在前面的线程可能一直等不到锁，因为总有新来的线程“插队”成功。

公平锁 (Fair Lock)

解释： 就像一个非常有秩序的厕所 👍。
- 当你（线程）想上厕所时，你首先会看一眼 👀 队伍前面有没有人排队 (hasQueuedPredecessors() 检查）。
- 如果队伍里有人，对不起 🙅‍♂️，你不能直接去推门，必须老老实实去队伍（AQS 队列）后面排着 🚶‍♂️🚶‍♀️。
- 只有当队伍是空的，你才可以去尝试推门（尝试 CAS 修改 state）。
- 当里面的人出来（释放锁）时，管理员（AQS）只会唤醒队伍最前面的那个人，并且只有这个人能进去。新来的人？对不起，看队伍里有人，请自觉排队。
底层实现关键点：
- 调用 lock() 时，先检查 AQS 队列中是否有等待者。
- 如果有等待者，则不尝试获取锁，直接加入队列尾部。
- 只有当队列为空时，才尝试获取锁。
- 释放锁时，严格唤醒并让队头节点获取锁。
优点： 公平 ⚖️，保证了先来后到，不会有线程饿死。
缺点： 性能相对较低，吞吐量可能不如非公平锁 📉。因为即使锁是空闲的，只要队列里有人，新来的线程也得去排队，导致更多的线程挂起和唤醒，增加了上下文切换的开销。