Java 深度与实战 · 每日一读 ：高频面试真题解析 · ReentrantLock / CAS / AQS 篇

ReentrantLock 深层分析：CAS、AQS原理全揭秘

此文为「Java 深度与实战·每日一读」系列第1篇，原创专栏，全篇不含水分，该系列整个面向：初学、进阶、面试、原理、实战，全综合型导向。

目标：让任何级别的 Java 学习者，看不懂也要收藏，看得懂就能高速成长！

一、基础矩阵：ReentrantLock 的概念

ReentrantLock（重入锁），是一种在 JDK1.5 引入的是符合 java.util.concurrent.locks.Lock 接口的实现类，它对 synchronized 进行了很多封装和扩展：

• 可以手动锁 / 释放，更灵活
• 支持多种锁（全局锁/全局重入锁）
• 支持反应不同类型的等待（可不可为）

但是，其实现原理，非常高级！

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二、CAS 原理完全解析

2.1 CAS 是什么？

CAS（Compare And Swap）：比较并且替换。

通过 CPU 原定命令，把 目标内存地址的值 与 预期值 比较，如果相等，则更新成新值；否则，不做操作。

操作是原定的，一步到位，避免线程竞争。

2.2 CAS 实现原7406

常见实现：

• x86 系列 CPU ：通过 cmpxchg
• ARM 系列 CPU ：使用 LDREX/STREX

JDK 中，主要通过 sun.misc.Unsafe 实现。

Unsafe.compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update)

2.3 CAS 定位的问题：

问题	解决方案
ABA 问题	AtomicStampedReference
自旋耗费 CPU	合理控制自旋次数
不能操作多个值	AtomicReference 或使用锁

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三、AQS 原理全揭秘

3.1 AQS 是什么？

AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列合并器

基于 FIFO 队列，提供一种构建高级合并器（如：ReentrantLock, CountDownLatch）的通用框架。

核心组件：

• state ：锁的状态值（int）
• CLH 队列 ：线程坐标队列
• Node ：表示每个线程

3.2 AQS 工作流程

1. CAS 抽奖默认拥有者权限
2. 失败的线程进入队列排队等待
3. 拥有者释放时，通知队头线程
4. 队头线程重新挑战 CAS

图示：

线程A（锁住） -> 线程B（等待） -> 线稌C（等待）

它们就排成一条队。

3.3 AQS 的两种锁模式

• 单种上锁（一个线程拥有）
• 共享锁（多线程同时拥有，如 ReadWriteLock）

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四、ReentrantLock 实现原理

4.1 主要组成

• Sync：内部抽象类，继承 AQS
• NonfairSync / FairSync：非公平和公平版本

4.2 上锁流程

1. 尝试通过 CAS 拥有 state=1
2. 失败：入队排队，等待
3. 释放时，把 state=0，并 unpark 队头线程

4.3 重入的原理

同一线程再次上锁，state++，需要释放多次才能真正释放锁。

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五、实战示例：体验一下经典场景

5.1 例子：多线程清单操作

Lock lock = new ReentrantLock();public void clearCart() {lock.lock();try {// 清空购物车cart.clear();} finally {lock.unlock();}
}

5.2 例子：异常处理

必须放在 finally 中，否则导致泛锁，系统失效。

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六、深层思考：ReentrantLock 比最原始的锁属性有什么优势？

方面	synchronized	ReentrantLock
解锁	自动	手动
应急中断	不支持	支持（lockInterruptibly）
时间等待	不支持	支持（tryLock）
公平性	不保证	可选公平

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七、原理其实一点不难：简单就是最大的备考利器

只需记住：

• CAS 保证原定性
• AQS 通过队列来管理多个线程
• ReentrantLock 给了更灵活的接口，更符合实际场景

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🗂️八、面试问题目录

🔥 高频面试真题解析 · ReentrantLock / CAS / AQS 篇

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• 一、ReentrantLock 相关
  • 1. 什么是 ReentrantLock？与 synchronized 有什么区别？
  • 2. 为什么叫“可重入锁”？它如何实现可重入？
  • 3. ReentrantLock 支持哪些锁类型？怎么设置？
  • 4. 如何正确使用 ReentrantLock，避免死锁？
  • 5. tryLock 有什么应用场景？与 lock() 有什么不同？
  • 6. ReentrantLock 是怎么保证线程安全的？内部用到了哪些底层机制？
• 二、CAS 相关
  • 1. CAS 原理是什么？CAS 操作是如何保证原子性的？
  • 2. CAS 操作失败会发生什么？什么是自旋？
  • 3. CAS 有哪些典型问题？如何解决 ABA 问题？
  • 4. CAS 和传统的加锁机制相比，有哪些优缺点？
  • 5. Java 中有哪些类用到了 CAS？
• 三、AQS 相关
  • 1. 什么是 AQS？它在 Java 并发框架中起到了什么作用？
  • 2. AQS 的核心设计是什么？
  • 3. AQS 支持哪两种模式？分别有哪些代表性实现？
  • 4. AQS 如何实现线程挂起和唤醒？
  • 5. 如何基于 AQS 自定义一个同步器？
• 四、综合类问题（高频+进阶）
  • 1. 如何自己实现一个简单的可重入锁（MyLock）？
  • 2. 高并发场景下，什么时候使用 CAS？什么时候应该使用锁？
  • 3. 公平锁和非公平锁的区别？使用场景？
  • 4. ReentrantLock 在高并发下会不会出现性能问题？原因是什么？
  • 5. synchronized、Lock、原子类三者怎么选？

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一、ReentrantLock 相关

1. 什么是 ReentrantLock？与 synchronized 有什么区别？

ReentrantLock 是一种显式的锁机制，它属于 Java 的 java.util.concurrent 包，提供了比 synchronized 更强大的功能，如公平性设置、可中断等。

• ReentrantLock 是可重入的，表示一个线程可以多次获取同一把锁，而不至于被自己阻塞。
• 与 synchronized 区别：
  • ReentrantLock 支持 可中断锁，而 synchronized 不支持。
  • ReentrantLock 可以进行 公平性设置，确保锁被最久等待的线程先获得。
  • ReentrantLock 提供 tryLock() 方法，能设置锁的超时时间，而 synchronized 没有此功能。

2. 为什么叫“可重入锁”？它如何实现可重入？

“可重入”是指一个线程可以多次请求获取同一个锁，而不会发生死锁。线程再次请求时，不会被阻塞，直到线程释放锁。

• 实现原理：
  • ReentrantLock 内部使用一个计数器来记录获取锁的次数，当前线程每获取一次锁，计数器加1。
  • 当计数器为0时，锁被释放。也就是说，锁的释放是通过计数器控制的。

3. ReentrantLock 支持哪些锁类型？怎么设置？

ReentrantLock 提供两种类型的锁：

• 公平锁：线程获取锁的顺序为先到先得，适合任务对锁公平性要求较高的场景。
• 非公平锁：线程获取锁的顺序不保证公平，适合大多数高性能场景。

可以通过 ReentrantLock(true) 设置公平锁，默认为非公平锁。

4. 如何正确使用 ReentrantLock，避免死锁？

死锁通常发生在多个线程相互持有锁且等待对方释放锁的场景。避免死锁的常见策略包括：

• 避免锁嵌套：减少线程在持有锁的情况下进行其它操作。
• 锁定顺序：确保多个线程获取多个锁时，锁的顺序一致。

5. tryLock 有什么应用场景？与 lock() 有什么不同？

tryLock() 方法可以设置超时来尝试获取锁，如果在规定时间内获取不到锁，返回 false。

• 应用场景：适用于尝试获取锁的操作，如果获取不到锁，可以继续执行其他任务。
• 与 lock() 的区别：lock() 是阻塞式的，一直等待获取锁；而 tryLock() 是非阻塞的，可以设置等待超时。

6. ReentrantLock 是怎么保证线程安全的？内部用到了哪些底层机制？

ReentrantLock 通过 AQS（AbstractQueuedSynchronizer） 框架实现线程安全。它通过 CAS（Compare And Swap） 技术实现原子操作，避免了竞争条件，并通过队列机制来管理等待线程。

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二、CAS 相关

1. CAS 原理是什么？CAS 操作是如何保证原子性的？

CAS 是一种乐观锁机制，它通过比较内存中的值和预期值，如果相同，则更新为新值；如果不同，则不做任何操作。这样保证了多个线程并发执行时，只有一个线程能够成功更新。

• 原子性保证：CAS 操作的原子性是由硬件支持的（如 CPU 中的原子指令）。

2. CAS 操作失败会发生什么？什么是自旋？

• CAS 操作失败时，意味着有其他线程对目标变量进行了修改。此时，CAS 操作会重试，直到成功为止。
• 自旋：CAS 失败后，会进入自旋状态，即线程不会被挂起，而是反复尝试执行 CAS 操作，直到成功或超时。

3. CAS 有哪些典型问题？如何解决 ABA 问题？

• ABA 问题：在 CAS 操作中，检查到值从 A 变成 B 后，又变回 A，导致线程误以为值没有改变。
• 解决方法：使用 版本号（即带时间戳的 CAS），通过额外的标记位来解决 ABA 问题。

4. CAS 和传统的加锁机制相比，有哪些优缺点？

• 优点：CAS 操作不需要加锁，避免了线程上下文切换，提高了并发性能。
• 缺点：CAS 会导致 ABA 问题，并且在长时间自旋的情况下，可能会导致 CPU 占用过高。

5. Java 中有哪些类用到了 CAS？

Java 中许多类使用 CAS 来优化性能，主要包括：

• AtomicInteger
• AtomicReference
• ReentrantLock
• ConcurrentLinkedQueue

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三、AQS 相关

1. 什么是 AQS？它在 Java 并发框架中起到了什么作用？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 提供的一个用于实现同步器的框架。它通过维护一个队列来管理请求同步的线程，从而实现锁、信号量等并发控制结构。

2. AQS 的核心设计是什么？

AQS 的核心设计是一个 FIFO（先入先出）队列，用来存储等待获取锁的线程。每个线程都通过 CAS 操作来尝试获取锁，成功的线程进入临界区，失败的线程进入等待队列。

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四、综合类问题（高频+进阶）

1. 如何自己实现一个简单的可重入锁（MyLock）？

class MyLock {private int count = 0;private Thread currentThread = null;public synchronized void lock() {Thread thread = Thread.currentThread();while (currentThread != thread && count > 0) {try {wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}currentThread = thread;count++;}public synchronized void unlock() {if (Thread.currentThread() == currentThread) {count--;if (count == 0) {currentThread = null;notify();}}}
}

2. 高并发场景下，什么时候使用 CAS？什么时候应该使用锁？

• 使用 CAS：适合无锁操作且对性能要求极高的场景，如计数器更新。
• 使用锁：适用于有多个线程访问共享资源时，需要保证原子性和数据一致性，且数据量较大时使用锁更安全。

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