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ReentrantLock 底层实现

news 来源：原创 2025/5/9 8:31:18

一、核心概念

1 - CAS

CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）操作是一种无锁的原子操作，它在多线程环境下能够保证线程安全，主要是通过硬件级别的原子性以及乐观锁的思想来实现的。以下详细介绍 CAS 操作保证线程安全的原理：

1. CAS 操作的基本概念

CAS 操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。其操作过程如下：

首先从内存位置 V 读取当前值。
然后将读取到的值与预期原值 A 进行比较。
如果当前值与预期原值相等，即 V == A，那么将内存位置 V 的值更新为新值 B。
如果当前值与预期原值不相等，即 V != A，那么不进行更新操作，通常会返回失败信息。

在 Java 中，sun.misc.Unsafe 类提供了一些基于 CAS 的操作方法，例如 compareAndSwapInt、compareAndSwapLong 等，AtomicInteger 等原子类就是基于这些方法实现的。

2. 硬件级别的原子性

CAS 操作的原子性是由硬件保证的。在现代 CPU 中，CAS 操作是一个原子指令，这意味着在执行 CAS 操作时，不会被其他线程的操作所中断。例如，当一个线程执行 CAS 操作时，其他线程无法同时修改该内存位置的值，从而保证了操作的原子性。

以 AtomicInteger 的 incrementAndGet 方法为例（简化后的代码）：

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

在 incrementAndGet 方法中，通过不断尝试 CAS 操作来更新 AtomicInteger 的值。由于 CAS 操作的原子性，即使多个线程同时执行该方法，也不会出现数据竞争的情况。

3. 乐观锁的思想

CAS 操作基于乐观锁的思想，它假设在大多数情况下，线程在尝试更新数据时不会发生冲突。每个线程在更新数据之前，先检查内存中的值是否与自己预期的值相等，如果相等则进行更新，否则重试。

这种乐观的方式减少了线程之间的竞争，因为不需要像悲观锁（如 synchronized 关键字）那样在操作数据之前就锁定数据，从而提高了并发性能。例如，在一个多线程环境中，多个线程同时对一个共享变量进行自增操作，如果使用悲观锁，每次只有一个线程能够进行操作，其他线程需要等待；而使用 CAS 操作，多个线程可以同时尝试更新，只有在发生冲突时才需要重试，大大提高了并发效率。

4. 解决 ABA 问题

虽然 CAS 操作能保证线程安全，但存在 ABA 问题，即一个值原来为 A，被一个线程修改为 B，然后又被另一个线程修改回 A，此时 CAS 操作可能会误认为值没有被修改而成功更新。为了解决 ABA 问题，可以使用带有版本号的原子类（如 AtomicStampedReference），在每次修改值时同时更新版本号，这样在进行 CAS 操作时，不仅要比较值，还要比较版本号，从而避免 ABA 问题。

综上所述，CAS 操作通过硬件级别的原子性以及乐观锁的思想，在多线程环境下保证了线程安全，并且在提高并发性能方面具有很大的优势。

2 - AQS

3 - 与`synchronized`的对比

特性	`synchronized`	`ReentrantLock`
可重入性	支持	支持
锁类型	非公平锁（无法指定公平性）	可选择公平锁或非公平锁
锁的获取方式	自动获取和释放（基于代码块）	需手动调用 `lock()` 和 `unlock()`
中断响应	不支持	支持（`lockInterruptibly()`）
超时获取锁	不支持	支持（`tryLock(long, TimeUnit)`）
条件变量（Condition）	通过 `wait()`/`notify()` 实现	支持多个 `Condition`