Lock 底层原理
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Lock 底层原理
在 Java 中，锁（Lock）是用来控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对它进行操作。Java 中的锁分为内置锁（synchronized 关键字实现）和显式锁（java.util.concurrent.locks 包中的类实现，如 ReentrantLock）。这里我们主要讨论显式锁的底层原理。
ReentrantLock
ReentrantLock 是 java.util.concurrent.locks 包中的一个重入锁，它实现了 Lock 接口，并提供了与 synchronized 关键字类似的同步功能，但它比 synchronized 提供了更高的处理锁的灵活性。
基本结构
ReentrantLock 内部维护了一个同步器 AbstractQueuedSynchronizer（简称 AQS），这是实现锁机制的框架。AQS 使用一个 int 成员变量来表示同步状态，以及一个 FIFO 队列来管理线程的排队工作。
锁的获取与释放
当一个线程尝试获取锁时，AQS 会根据锁的状态决定是否需要排队等待。如果锁未被其他线程持有，那么当前线程可以获取锁并将同步状态设置为 1。如果锁已经被其他线程持有，当前线程就会进入等待队列，直到锁被释放。
对于可重入锁，如果当前线程已经持有锁，那么它可以再次获取锁，同步状态会相应地增加。
当线程执行完毕后，它会释放锁，这通常是通过调用 unlock() 方法来完成的。释放锁意味着同步状态要减 1，当状态为 0 时，表示锁完全释放。如果有其他线程在等待这个锁，那么 AQS 会唤醒队列中的下一个线程。
公平锁与非公平锁
ReentrantLock 提供了公平锁和非公平锁两种模式：
- 公平锁：线程获取锁的顺序是按照它们请求锁的顺序来分配的，即先来先得。
- 非公平锁：当锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获取锁，这可能会导致某些线程饿死（即永远获取不到锁）。
公平锁通过维护一个有序队列来实现，而非公平锁则可能会在锁释放时立即尝试获取锁，这通常会有更好的性能，但是不保证等待时间的公平性。
底层同步队列
AQS 使用一个双向链表来实现同步队列，每个节点包含了线程的引用、等待状态等信息。当线程获取不到锁时，它会被包装成一个节点加入到队列的尾部，并在那里进行等待。当锁被释放时，头节点的线程会被唤醒尝试获取锁。
条件变量
ReentrantLock 还提供了条件变量（Condition），它类似于 Object 类中的 wait() 和 notify() 方法。条件变量提供了一种在某个条件不满足时挂起线程，并在条件可能满足时唤醒线程的机制。
总结
ReentrantLock 的底层原理主要依赖于 AQS 框架，通过维护一个同步状态和一个线程等待队列来实现锁的获取和释放。它提供了比 synchronized 更灵活的锁操作，包括可重入性、中断锁等待、尝试非阻塞获取锁、公平性选择等特性。通过这些机制，ReentrantLock 在多线程编程中提供了强大的同步控制能力。
