ReentrantLock 源碼深度解析：基於 AQS 的公平/非公平鎖實現原理

ReentrantLock 源碼深度解析：基於 AQS 的公平/非公平鎖實現原理

整體架構

• ReentrantLock 委派給內部類 Sync（繼承 AbstractQueuedSynchronizer）
• Sync 兩個子類：NonfairSync（預設）、FairSync
• 核心依賴 LockSupport、Unsafe 進行線程阻塞/喚醒與 CAS 操作

鎖獲取流程

1. nonfairTryAcquire（非公平嘗試）

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 無鎖時 CAS 佔用
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 重入：直接疊加 state
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

特點：非公平搶佔、重入無需 CAS、偏向當前持有線程。

2. 入隊列

• CLH 隊列（雙向鏈表），節點封裝線程與模式（獨占/共享）
• addWaiter 快速尾插（CAS），失敗進 enq 自旋入隊

3. acquireQueued（排隊獲取）

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean interrupted = false;
    for (;;) {
        Node p = node.predecessor();
        if (p == head && tryAcquire(arg)) {
            setHead(node); // 成功掛為頭節點
            p.next = null; // help GC
            return interrupted;
        }
        // 前驅非頭或獲取失敗 → 判斷是否應阻塞
        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
            interrupted = true;
    }
}

4. shouldParkAfterFailedAcquire（阻塞判定）

• 前驅狀態 SIGNAL → 可安全 park
• 前驅狀態 CANCELLED → 跳過取消節點重鏈
• 其他 → CAS 設前驅為 SIGNAL，下輪嘗試

5. parkAndCheckInterrupt

LockSupport.park(this); // 交給 OS 核心阻塞
return Thread.interrupted();

釋放鎖流程

1. tryRelease

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

2. unparkSuccessor（喚醒後繼）

• 頭節點狀態 < 0 → CAS 重置為 0
• 尋找首個非取消後繼節點（從尾部反向掃描）
• LockSupport.unpark(thread) 喚醒

非公平特性：新來線程可能在 nonfairTryAcquire 直接搶佔，排隊線程不一定優先獲得。

公平鎖差異

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 公平：檢查隊列是否有前驅等待者
        if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 重入邏輯相同
    }
    return false;
}

總結

• AQS 狀態變量 state 表示鎖計數
• CLH 隊列管理等待線程，狀態機控制阻塞/喚醒
• 非公平鎖吞吐高，公平鎖避免飢餓
• 條件變數 Condition 同樣基於 AQS 實現