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Java自定義互斥鎖的實(shí)現(xiàn)方法示例

更新時(shí)間：2025年11月15日 12:00:55 作者：va學(xué)弟

在多線程編程中互斥鎖是確保共享資源安全訪問的重要機(jī)制,這篇文章主要介紹了Java自定義互斥鎖實(shí)現(xiàn)的相關(guān)資料,文中通過代碼介紹的非常詳細(xì),需要的朋友可以參考下

1.AQS

AbstractQueueSynchronizer，簡稱AQS，是 Java 并發(fā)編程的核心基礎(chǔ)框架，它為各種同步器（如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等）提供了統(tǒng)一的底層實(shí)現(xiàn)，解決了并發(fā)場景中線程的同步與協(xié)作問題。它的設(shè)計(jì)思想可以概括為：用一個(gè) volatile 狀態(tài)變量控制同步邏輯，用一個(gè) CLH 隊(duì)列管理等待線程。下面我們簡單介紹一下其核心內(nèi)容。

一、AQS 的核心結(jié)構(gòu)

AQS 的核心由兩部分組成：同步狀態(tài)（State） 和等待隊(duì)列（CLH 隊(duì)列）。

1.同步狀態(tài)（State）

定義：AQS 通過 private volatile int state 變量來維護(hù)同步狀態(tài)，該狀態(tài)值的具體語義由實(shí)現(xiàn)類（子類）自行定義。以 ReentrantLock 為例：

state = 0 表示鎖未被占有
state > 0 表示鎖被持有，數(shù)值代表當(dāng)前線程的重入次數(shù)（線程每次獲取鎖時(shí) state 遞增，釋放鎖時(shí) state 遞減）

2. 等待隊(duì)列（CLH 隊(duì)列）

當(dāng)線程獲取鎖失敗時(shí)，AQS 會(huì)將線程封裝成一個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node） 加入等待隊(duì)列，這個(gè)隊(duì)列是一個(gè)雙向鏈表，基于 CLH（Craig, Landin, and Hagersten）鎖隊(duì)列改進(jìn)而來。

二、AQS 的核心機(jī)制

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的核心機(jī)制分為獨(dú)占式和共享式兩種同步模式，分別對(duì)應(yīng)不同的鎖獲取與釋放邏輯。

1.獨(dú)占式模式（Exclusive）

獨(dú)占式模式下，同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能獲取鎖（如 ReentrantLock）。其核心流程如下：

獲取鎖（acquire）

調(diào)用 tryAcquire(int arg)：由子類實(shí)現(xiàn)，嘗試獲取鎖（如檢查 state 是否為 0，并通過 CAS 修改 state）。若成功，直接返回；若失敗，進(jìn)入后續(xù)步驟。

調(diào)用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：將當(dāng)前線程封裝為獨(dú)占模式的 Node 節(jié)點(diǎn)，并加入等待隊(duì)列尾部。

調(diào)用 acquireQueued(Node node, int arg)：節(jié)點(diǎn)在隊(duì)列中自旋等待，直到獲取鎖或被取消。在此過程中：

節(jié)點(diǎn)檢查前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是否為頭節(jié)點(diǎn)：若是，則再次嘗試 tryAcquire；若成功，將自己設(shè)為新頭節(jié)點(diǎn)。
若前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不是 SIGNAL，則將其狀態(tài)改為 SIGNAL（確保前驅(qū)釋放鎖時(shí)能喚醒自己）。
若獲取失敗，通過 LockSupport.park(this) 阻塞當(dāng)前線程。

釋放鎖（release）

調(diào)用 tryRelease(int arg)：由子類實(shí)現(xiàn)，嘗試釋放鎖（如修改 state 的值）。
若成功，檢查頭節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)：若為 SIGNAL，則調(diào)用 unparkSuccessor(Node node) 喚醒后繼節(jié)點(diǎn)。
被喚醒的后繼節(jié)點(diǎn)會(huì)重新進(jìn)入自旋，嘗試獲取鎖。

2.共享式模式（Shared）

共享式模式下，同一時(shí)刻多個(gè)線程可獲取鎖（如 Semaphore、CountDownLatch）。其核心流程如下：

獲取鎖（acquireShared）

調(diào)用 tryAcquireShared(int arg)：由子類實(shí)現(xiàn)，嘗試獲取共享鎖（如檢查 state 是否大于 0）。

若返回值 >=0（成功），直接返回；若 <0（失?。M(jìn)入后續(xù)步驟。

調(diào)用 doAcquireShared(int arg)：將線程封裝為共享模式的 Node 節(jié)點(diǎn)，加入等待隊(duì)列并自旋等待。

與獨(dú)占式不同，共享模式下，一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取鎖后可能會(huì)喚醒后續(xù)所有共享節(jié)點(diǎn)（如 Semaphore 的 release 會(huì)釋放多個(gè)許可）。

釋放鎖（releaseShared）

調(diào)用 tryReleaseShared(int arg)：由子類實(shí)現(xiàn)，嘗試釋放共享鎖（如增加 state 的值）。
若成功，喚醒后續(xù)等待的共享節(jié)點(diǎn)。

三、AQS 的核心方法

AQS 基于模板方法模式設(shè)計(jì)，將同步器的核心邏輯分為兩部分：父類定義的固定流程（模板方法）和子類實(shí)現(xiàn)的定制邏輯（鉤子方法）。

1.模板方法（AQS 已實(shí)現(xiàn)）

獨(dú)占式鎖操作

acquire(int arg)：阻塞式獲取獨(dú)占鎖，忽略中斷。
release(int arg)：釋放獨(dú)占鎖，喚醒后續(xù)線程。
tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)：支持超時(shí)和中斷的獨(dú)占鎖獲取。

共享式鎖操作

acquireShared(int arg)：阻塞式獲取共享鎖。
releaseShared(int arg)：釋放共享鎖，喚醒等待線程。
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)：支持超時(shí)和中斷的共享鎖獲取。

輔助功能

getQueuedThreads()：獲取等待隊(duì)列中的線程集合。

2.鉤子方法（子類需重寫）

獨(dú)占式鎖實(shí)現(xiàn)

tryAcquire(int arg)：定義獨(dú)占鎖的獲取邏輯，返回成功狀態(tài)。
tryRelease(int arg)：定義獨(dú)占鎖的釋放邏輯，返回成功狀態(tài)。

共享式鎖實(shí)現(xiàn)

tryAcquireShared(int arg)：定義共享鎖的獲取邏輯，返回剩余可用資源數(shù)。
tryReleaseShared(int arg)：定義共享鎖的釋放邏輯，返回是否完全釋放。

條件變量支持

isHeldExclusively()：判斷當(dāng)前線程是否獨(dú)占持有鎖，用于實(shí)現(xiàn) Condition。

通過重寫鉤子方法，子類可靈活實(shí)現(xiàn)公平/非公平鎖、讀寫鎖等同步機(jī)制，而 AQS 負(fù)責(zé)隊(duì)列管理、阻塞喚醒等底層操作。

2.自定義互斥鎖

MLock通過靜態(tài)內(nèi)部類Sync繼承 AQS，并重寫關(guān)鍵方法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)占式非重入鎖（同一線程不能重復(fù)獲取鎖）。

public class MLock {
    private Sync sync = new Sync();
    private static class Sync extends AbstractQueuedLongSynchronizer{

        @Override
        protected boolean tryAcquire(long arg) {
            //利用CAS算法把state變量改成1
            if(compareAndSetState(0,arg)){
                //操作成功后把當(dāng)前線程設(shè)置成獨(dú)占
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;

        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(long arg) {
            //清空當(dāng)前線程
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(arg);
            return true;

        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;

        }
    }

    //加鎖
    public void lock(){
        sync.acquire(1);
    }
    //釋放鎖
    public void unlock(){
        sync.release(0);
    }

}

一、Sync內(nèi)部類（AQS 子類）

Sync 作為鎖的核心實(shí)現(xiàn)，重寫了 AQS 中的 3 個(gè)關(guān)鍵方法和 1 個(gè)條件變量方法：

1.tryAcquire(int arg) - 獨(dú)占鎖獲取

執(zhí)行邏輯：當(dāng) state 為 0（未鎖定狀態(tài)）時(shí)，通過 CAS 操作將其置為 1，并記錄當(dāng)前線程為鎖持有者

2.tryRelease(int arg) - 獨(dú)占鎖釋放

執(zhí)行邏輯：先清除鎖持有者線程信息，再將 state 重置為 0，允許其他線程獲取鎖

3.isHeldExclusively() - 獨(dú)占鎖狀態(tài)檢查

執(zhí)行邏輯：通過檢查 state 是否為 1 來判斷鎖是否被占用（注：簡化實(shí)現(xiàn)，實(shí)際還需驗(yàn)證持有者線程）

4.newCondition() - 條件變量創(chuàng)建

功能說明：提供基于鎖的等待/通知機(jī)制，支持 await() 和 signal() 等操作

二、MLock對(duì)外提供的方法

這些方法是鎖的使用接口，內(nèi)部通過調(diào)用Sync（AQS）的方法實(shí)現(xiàn)：

lock()：獲取鎖（阻塞式）

邏輯：如果tryAcquire成功（獲取鎖），直接返回；否則，當(dāng)前線程會(huì)被加入 AQS 的等待隊(duì)列，進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到被喚醒并成功獲取鎖
tryLock()：嘗試獲取鎖（非阻塞式）
邏輯：僅嘗試一次獲取鎖，成功返回true，失敗立即返回false，不會(huì)阻塞。
unlock()：釋放鎖

邏輯：釋放鎖后，AQS 會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程，讓其嘗試獲取鎖。
newCondition()：獲取條件變量用于線程間的協(xié)作（如生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者模型），基于當(dāng)前鎖實(shí)現(xiàn)等待 / 通知。