Java高频面试之并发编程-23

hello啊,各位观众姥爷们!!!本baby今天又来报道了!哈哈哈哈哈嗝🐶

面试官:ReentrantLock 如何实现公平锁的?


ReentrantLock 公平锁的实现原理

ReentrantLock 的公平锁通过 AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 的同步队列(CLH 队列变体)和 严格的顺序检查机制 实现,确保线程按照请求锁的顺序获取锁。以下是其核心实现细节:


1. 公平锁与非公平锁的核心区别

公平锁与非公平锁的唯一差异在于 获取锁时的策略

  • 非公平锁:新线程可以直接尝试抢占锁(即使队列中有线程在等待)。
  • 公平锁:新线程必须检查队列中是否有等待线程,若有则排队,严格按 FIFO 顺序获取锁。

2. 公平锁的实现关键

(1) tryAcquire 方法的重写

公平锁的 tryAcquire 方法中,必须先检查同步队列中是否有其他线程在排队 ,若无才允许尝试获取锁。这是通过 hasQueuedPredecessors() 方法实现的。

java 复制代码
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 关键点:只有队列中没有等待线程时,才尝试获取锁
        if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 重入逻辑与非公平锁一致
        int nextc = c + acquires;
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}
(2) hasQueuedPredecessors() 方法

该方法判断当前线程是否是队列中的第一个有效节点(即是否有其他线程更早地请求锁):

java 复制代码
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail; // 队列尾节点
    Node h = head; // 队列头节点
    Node s;
    // 队列不为空,且头节点的下一个节点存在,且该节点关联的线程不是当前线程
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
  • 返回 true:队列中存在比当前线程更早等待的线程,当前线程必须排队。
  • 返回 false:队列为空或当前线程是队列中的第一个有效节点,允许尝试获取锁。

3. 公平锁的工作流程

(1) 线程首次获取锁
  1. 线程调用 lock() 方法。
  2. 调用 acquire(1),触发 tryAcquire
  3. state=0(锁未被占用):
    • 检查队列中是否有等待线程(hasQueuedPredecessors())。
    • 若无等待线程 :尝试 CAS 修改 state 为 1,成功则获取锁。
    • 若有等待线程 :封装为 Node 加入队列尾部,进入阻塞状态。
(2) 锁释放后唤醒后续线程
  1. 持有锁的线程调用 unlock(),释放锁(state=0)。
  2. AQS 唤醒队列中第一个有效节点(头节点的后继节点)关联的线程。
  3. 被唤醒的线程再次尝试 tryAcquire,此时队列中无更早的等待线程,成功获取锁。

4. 公平锁的严格顺序保证

公平锁通过以下机制确保顺序性:

  1. 禁止插队:新线程必须检查队列中是否有等待线程,无法直接抢占锁。
  2. 队列唤醒:锁释放时,只唤醒队列中的第一个有效节点,确保先进先出。

5. 公平锁的代价

  • 性能开销
    每次获取锁都需要检查队列状态,增加 CAS 操作和线程切换次数。
  • 吞吐量降低
    严格的顺序性可能导致 CPU 空闲(例如,队列中的线程唤醒需要时间)。

6. 代码示例:公平锁的完整获取流程

java 复制代码
// 创建公平锁
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

// 加锁过程
fairLock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    fairLock.unlock();
}

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