深入理解 Java AQS：ReentrantLock 的底层实现详解

Java 的 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是一个用于构建同步器（如锁和信号量）的框架。它提供了一种实现线程同步的机制，通过管理一个先进先出（FIFO）的线程等待队列来控制对共享资源的访问。ReentrantLock 是基于 AQS 实现的一个可重入锁。下面我将详细解释 AQS 的原理以及 ReentrantLock 的实现方法。

AQS 原理

1. 状态（State）：
   • AQS 内部维护一个 state 变量，用于表示共享资源的使用状态。子类通过实现特定的方法来管理这个状态。
   • 对于独占模式，state 为 0 表示资源可用，大于 0 表示资源被占用。
   • 对于共享模式，state 的具体含义由子类定义，但通常用于表示可用资源的数量。
2. 等待队列（CLH 队列）：
   • AQS 使用一个双向链表来管理等待获取资源的线程。
   • 每个节点包含线程引用、等待状态等信息。
   • 线程在获取资源失败时会被封装成一个节点并加入队列尾部。
3. 独占模式和共享模式：
   • 独占模式：只有一个线程能获取资源，如 ReentrantLock。
   • 共享模式：多个线程可以同时获取资源，如 Semaphore 和 CountDownLatch。
4. 模板方法：
   • AQS 提供了一些需要子类实现的模板方法，如 tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared、tryReleaseShared 等。
   • 子类通过实现这些方法定义具体的同步策略。

ReentrantLock 实现方法

ReentrantLock 是一个可重入的独占锁，基于 AQS 实现。以下是其关键实现点：

1. 状态管理：
   • ReentrantLock 使用 AQS 的 state 变量来表示锁的重入次数。
   • 初始状态为 0，表示锁未被占用。每次获取锁时，state 加 1；每次释放锁时，state 减 1。
2. 获取锁（lock() 方法）：
   • 调用 AQS 的 acquire 方法，尝试获取锁。
   • tryAcquire 方法在 ReentrantLock 中被实现为：如果当前线程是锁的持有者，则增加重入计数并返回成功；否则，检查锁是否可用，若可用则设置锁的持有者为当前线程并返回成功。
3. 释放锁（unlock() 方法）：
   • 调用 AQS 的 release 方法，尝试释放锁。
   • tryRelease 方法在 ReentrantLock 中被实现为：减少重入计数，如果计数为 0，则释放锁并返回成功。
4. 非公平锁与公平锁：
   • 非公平锁：线程在尝试获取锁时，可能会直接插队获取锁，而不是按照等待队列的顺序。
   • 公平锁：线程严格按照等待队列的顺序获取锁。
   • 通过构造函数可以选择使用非公平锁或公平锁。

示例代码

以下是一个简单的 ReentrantLock 使用示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void performTask() {
        lock.lock();
        try {
            // 临界区代码
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is executing.");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();
        Runnable task = example::performTask;

        Thread thread1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(task, "Thread-2");

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在这个示例中，ReentrantLock 用于确保同一时间只有一个线程可以执行 performTask 方法中的临界区代码。