ReentrantLock 非公平锁实现原理详解

1. 什么是 ReentrantLock 非公平锁

ReentrantLock 是 Java 提供的一个可重入锁，可以用来解决多线程并发访问共享资源的问题。非公平锁是 ReentrantLock 的一种实现方式，与公平锁相比，非公平锁在获取锁时不考虑等待队列中的线程等待时间，可以通过一些优化来提高性能。

2. ReentrantLock 非公平锁实现原理

ReentrantLock 的非公平锁实现原理主要涉及到以下几个要点：

2.1 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）队列

ReentrantLock 内部使用了 AQS 队列来实现锁的获取和释放。AQS 是一个基于 FIFO 队列的同步工具，主要通过内置的 state 变量来实现对锁的控制。

2.2 锁的获取

当一个线程尝试获取锁时，它会先检查锁是否被其他线程持有。如果锁未被持有，线程会通过 CAS（Compare And Swap）操作尝试获取锁。如果 CAS 成功，表示该线程成功获取到锁，否则线程将被加入到 AQS 队列的尾部等待锁的释放。

2.3 锁的释放

当一个线程释放锁时，它会通过 CAS 操作将 state 变量值减一。如果成功将 state 变量值减一，表示锁已被释放。同时，线程会唤醒队列中的下一个等待线程，使其尝试获取锁。

2.4 锁的重入

ReentrantLock 具有可重入性，即一个线程可以多次获取同一个锁。在 ReentrantLock 实现中，使用了一个线程持有计数器来记录当前线程获取锁的次数。每次获取锁时，计数器会自增；而在释放锁时，计数器会自减。当计数器为零时，表示锁已完全释放。

3. 示例说明

3.1 示例一：非公平锁的基本使用

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class NonfairLockExample {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 1 acquired the lock");
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 2 acquired the lock");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个 ReentrantLock 实例作为锁。当 Thread 1 获取到锁并执行一段代码后，Thread 2 会处于等待状态，直到 Thread 1 释放锁后才能获取锁并执行。

3.2 示例二：非公平锁的性能优化

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class NonfairLockOptimizationExample {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println("Thread 1 acquired the lock: " + i);
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println("Thread 2 acquired the lock: " + i);
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }).start();
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个非公平锁的 ReentrantLock 实例，并将构造函数的参数设置为 false。这个参数表明使用非公平锁。通过观察控制台输出，可以发现两个线程在获取锁时，Thread 1 会多次连续获取到锁，而 Thread 2 会保持等待状态，这是因为非公平锁可以通过优化减少线程上下文切换的开销从而提高性能。

4. 总结

ReentrantLock 的非公平锁实现原理涉及 AQS 队列、锁的获取和释放机制，以及锁的重入。通过示例的说明，我们可以更好地理解非公平锁的基本使用和性能优化的相关概念。