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java中如何实现可重入的自旋锁

舞夢輝影

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发布时间:2025-12-23 19:11:33

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来源于php中文网

原创

可重入自旋锁通过volatile变量记录持有线程和重入次数,利用CAS实现原子更新;1. 用owner字段记录当前持有锁的线程;2. count记录重入次数;3. 加锁时先CAS设置owner为当前线程,成功则增加count,否则判断是否已持有并递增count;4. 解锁时先减count,仅当count为0时CAS清空owner;5. 需防止非持有线程解锁,且避免在synchronized中嵌套使用以防死锁。

java中如何实现可重入的自旋锁

Java 中实现可重入的自旋锁,核心在于:用一个 volatile int 记录持有线程的重入次数,并用 Thread.currentThread() 判断是否为当前线程重入;同时借助 Unsafe.compareAndSetInt(或 JDK9+ 的 VarHandle)实现无锁的原子状态更新。它不依赖 synchronized 或 AQS,纯靠 CPU 自旋等待,适合临界区极短、竞争不激烈的场景。

关键字段设计

一个可重入自旋锁需要三个基本状态信息:

  • owner:记录当前持有锁的线程(用 AtomicReference 或 volatile Thread 字段)
  • count:记录该线程的重入次数(用 AtomicInteger 或 volatile int,但需保证与 owner 更新的原子性)
  • (可选)spinLimit:限制最大自旋次数,避免过度消耗 CPU

保证 owner 和 count 原子更新

单独用两个 volatile 变量无法保证“先设 owner 再增 count”的原子性。推荐两种方式:

  • 单变量编码:把 owner 的 identityHashCode 和 count 合并成一个 long(低位存 count,高位存 hash),用 Unsafe.compareAndSwapLong 一次更新。缺点是可能哈希冲突(极低概率),且无法直接比对 Thread 实例
  • 双字段 + 循环 CAS 法(更实用):先 CAS 设置 owner 为当前线程;成功后,再 CAS 增加 count;若期间 owner 被改,就重试。代码结构类似:

while (true) {
  Thread t = owner.get();
  if (t == null) {
    if (owner.compareAndSet(null, Thread.currentThread())) {
      count.incrementAndGet();
      break;
    }
  } else if (t == Thread.currentThread()) {
    count.incrementAndGet();
    break;
  } else {
    // 自旋等待或 yield
    Thread.onSpinWait();
  }
}

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unlock() 必须严格配对

释放锁时不能简单清空 owner,必须先减 count;仅当 count 减到 0 时,才将 owner 设为 null:

  • 检查当前线程是否为 owner,否则抛 IllegalMonitorStateException
  • 执行 count.decrementAndGet()
  • 若结果为 0,则 owner.compareAndSet(currentThread, null) —— 这步也要 CAS,防止竞态

注意事项和局限

这种锁不是线程安全的公平锁,也不支持条件队列(wait/notify)。实际使用中要注意:

  • 自旋会持续占用 CPU,临界区务必足够轻量(比如只做几个字段赋值)
  • 高竞争下性能急剧下降,此时应考虑 ReentrantLock 或 StampedLock
  • JDK 没有内置可重入自旋锁,java.util.concurrent.locks.StampedLock 的乐观读模式底层用了类似思想,但不可直接复用为通用可重入锁
  • 禁止在 synchronized 块内调用它的 lock(),会导致死锁风险(自旋锁不可重入到 monitor)

基本上就这些。写对不难,但容易忽略 count 归零时的 owner 清理原子性,以及非持有线程 unlock 的校验。

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