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📖 摘要

关键词：ReentrantLock原理、AQS机制、公平锁、条件变量、可重入锁
本文深入解析Java并发包中的ReentrantLock实现，涵盖AQS核心机制、公平/非公平锁差异、Condition条件变量等核心内容，结合源码与流程图，彻底揭示其高并发设计的精妙之处！

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📑 目录

1. ReentrantLock核心特性速览
2. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）架构解析
3. ReentrantLock的加锁/解锁流程
4. 公平锁与非公平锁的底层差异
5. Condition条件变量的实现原理
6. ReentrantLock vs synchronized深度对比
7. 性能优化与避坑指南
8. 高频面试题与总结

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1. ReentrantLock核心特性速览

作为java.util.concurrent包的明星类，ReentrantLock相比synchronized具备以下特性：

• ✅ 可中断锁：lockInterruptibly()支持响应中断。
• ✅ 公平性选择：构造函数指定公平/非公平策略。
• ✅ 多条件变量：通过newCondition()创建多个等待队列。
• ✅ 尝试获取锁：tryLock()支持超时或立即返回。
• ✅ 可重入性：同一线程可重复获取锁。

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2. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）架构解析

ReentrantLock的底层依赖AQS框架，其核心组成如下：

2.1 AQS数据结构

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer {// 同步状态（锁的重入次数）private volatile int state;// CLH队列节点（双向链表）static final class Node {volatile int waitStatus;  // 等待状态（CANCELLED、SIGNAL等）volatile Node prev;volatile Node next;volatile Thread thread;  // 等待线程Node nextWaiter;         // 条件队列专用}// 队列头尾指针private transient volatile Node head;private transient volatile Node tail;
}

2.2 AQS的核心设计思想

• 模板方法模式：子类（如ReentrantLock.Sync）实现tryAcquire/tryRelease等钩子方法。
• CLH队列：Craig, Landin, and Hagersten（CLH）锁队列的变种，用于管理竞争线程。
• 状态管理：state字段表示锁的持有次数（可重入性）。

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3. ReentrantLock的加锁/解锁流程

3.1 加锁流程（以非公平锁为例）

1. 线程调用lock()方法
2. 直接尝试CAS修改state（快速路径）：- 成功：设置当前线程为独占所有者（exclusiveOwnerThread）- 失败：进入acquire()方法
3. acquire()调用tryAcquire()再次尝试获取锁
4. 若仍失败，将线程封装为Node加入CLH队列
5. 进入自旋，不断检查前驱节点是否为头节点并尝试获取锁
6. 若获取成功，将当前节点设为头节点；否则挂起线程（LockSupport.park()）

源码关键路径：

final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1)) // 非公平锁直接抢setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());elseacquire(1);
}public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}

3.2 解锁流程

1. 线程调用unlock()方法
2. 调用tryRelease()减少state值
3. 若state减至0，清空独占所有者线程
4. 唤醒CLH队列中的下一个线程（LockSupport.unpark()）

源码关键路径：

public void unlock() {sync.release(1);
}public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h); // 唤醒后继节点return true;}return false;
}

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4. 公平锁与非公平锁的底层差异

4.1 非公平锁（默认策略）

• 加锁特点：线程可直接插队尝试获取锁（即使队列中有等待线程）。
• 优势：减少线程切换，吞吐量高。
• 源码差异：

  final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {// 直接尝试CAS，不检查队列
  }
  

4.2 公平锁

• 加锁特点：必须按CLH队列顺序获取锁。
• 优势：避免线程饥饿。
• 源码差异：

  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {if (!hasQueuedPredecessors()) { // 检查是否有前驱节点// 执行CAS}// ...
  }
  

4.3 性能对比场景

场景	非公平锁	公平锁
高竞争短任务	更优	较差
低竞争长任务	接近	接近
严格顺序需求	不适用	必须

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5. Condition条件变量的实现原理

5.1 Condition与Object监视器方法的对比

功能	Condition	Object监视器
等待队列数量	多个	单个
唤醒精确性	可指定唤醒某个队列	只能随机或全部唤醒
超时等待	支持awaitNanos()	不支持

5.2 Condition内部实现

• 等待队列：每个Condition对象维护一个单向链表队列。
• 节点转移：
  • await()：将节点从CLH锁队列转移到Condition等待队列。
  • signal()：将节点从Condition队列移回CLH锁队列。

await()流程：

1. 创建Condition节点加入条件队列
2. 完全释放锁（state=0）
3. 进入循环，检查是否在同步队列：- 若未在，挂起线程
4. 被唤醒后，尝试重新获取锁

signal()流程：

1. 将条件队列的头节点转移到CLH锁队列
2. 修改节点状态为可竞争（SIGNAL）

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6. ReentrantLock vs synchronized深度对比

维度	ReentrantLock	synchronized
锁实现	基于AQS（Java代码）	JVM内置（C++实现）
锁释放	必须手动unlock()	自动释放
公平性	支持配置	非公平
条件变量	多Condition	单等待队列
锁中断	支持lockInterruptibly()	不支持
性能	高竞争下更优	JDK6后优化接近
锁绑定	灵活（可跨方法）	方法或代码块

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7. 性能优化与避坑指南

7.1 正确使用姿势

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {// 临界区代码
} finally {lock.unlock(); // 必须放在finally块！
}

7.2 常见问题与解决方案

• 死锁：按固定顺序获取多个锁。
• 锁泄漏：确保所有路径都调用unlock()。
• 过度竞争：缩小锁粒度或使用读写锁（ReentrantReadWriteLock）。

7.3 监控工具

• Jstack：查看线程锁持有情况。
• Arthas：实时监控锁竞争状态。

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8. 高频面试题与总结

高频面试题：

1. Q：AQS为什么用双向链表？
   A：便于处理取消节点（CANCELLED状态），快速移除失效节点。

2. Q：ReentrantLock如何实现可重入？
   A：通过state计数器记录重入次数，释放时递减至0才完全释放。

3. Q：非公平锁是否会导致饥饿？
   A：理论上可能，但实际高吞吐场景中概率极低。

核心总结：

• AQS是核心：理解CLH队列与state状态流转。
• 公平性选择：根据场景权衡吞吐量与公平性。
• 条件变量：复杂等待/通知场景的首选工具。