如何通过 AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 的独占模式实现自定义的公平锁

千墨君_2910

千墨君_2910

2026-04-15

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原创

不能只靠继承AQS就实现公平锁,必须重写tryAcquire并在其中调用hasQueuedPredecessors()——这是AQS提供的唯一公平性判定依据,漏掉它,公平性就失效。

如何通过 abstractqueuedsynchronizer (aqs) 的独占模式实现自定义的公平锁

直接说结论:不能只靠继承 AQS 就“实现”公平锁,必须重写 tryAcquire 并在其中调用 hasQueuedPredecessors() —— 这是 AQS 提供的唯一公平性判定依据,漏掉它,公平性就失效。

为什么 hasQueuedPredecessors() 是公平锁的命门

公平锁的本质不是“先来先得”的口头承诺,而是每次尝试获取锁时,都检查自己前面是否已有等待线程。AQS 不维护全局时间戳或插入序号,它只靠 hasQueuedPredecessors() 判断:
– 返回 true 表示队列非空且当前线程不是队首等待者(即有前驱)
– 此时应放弃 CAS 抢占,进入阻塞队列
– 这个方法内部只检查 head != tail 且 head.next 是否指向有效节点,开销极小但语义精准

常见错误是绕过它,比如在 tryAcquire 里只判断 state == 0 就 CAS,这和非公平锁没区别。

tryAcquire 必须同时处理可重入 + 公平性 + 状态变更

公平锁的 tryAcquire 不是简单判断“锁空闲”,而要分三步原子检查:

  • 如果 state == 0,再调用 hasQueuedPredecessors();仅当返回 false(即无前驱)才尝试 compareAndSetState(0, acquires)
  • 如果 state > 0 且 getExclusiveOwnerThread() == currentThread,说明可重入,直接 setState(state + acquires)
  • 任何状态不匹配(如 state > 0 但持有线程不是当前线程),立即返回 false,交由 acquire 框架入队

注意:不可在 state == 0 分支里省略 hasQueuedPredecessors() 调用;也不可在重入分支里忽略 state 溢出检查(nextc )。

别忘了设置 exclusiveOwnerThread 和正确使用 setState

AQS 自身不管理锁持有线程,全靠子类在获取成功后显式调用 setExclusiveOwnerThread(Thread)。漏掉这句,isHeldExclusively() 和重入判断都会失效。

另外:
– setState(int) 是普通赋值,无原子性,只能用于已确认线程安全的场景(如重入时)
– compareAndSetState(int, int) 才是 CAS 原子操作,仅用于初始抢占
– 错把 setState 当成 CAS 用,会导致并发下 state 错乱,比如两个线程同时重入,state 只加了 1 次

公平锁的性能代价藏在 acquire 入口处

公平锁的 lock() 方法必须直接调用 acquire(1),不能像非公平锁那样先 compareAndSetState(0, 1) 再 fallback —— 否则就破坏了“排队优先”原则。

这意味着:每个 lock() 调用至少触发一次队列检查(hasQueuedPredecessors()),即使锁空闲。高竞争下,这个检查本身虽快,但会显著增加 cache line 争用(因读 head/tail)。实际压测中,公平锁吞吐量通常比非公平锁低 20%~40%,这不是 bug,是设计取舍。

真正容易被忽略的是:一旦你写了公平逻辑,就必须全程守住“不插队”边界——包括 tryLock()、lockInterruptibly() 等所有入口,它们底层最终都流向 tryAcquire,不能有一处绕过 hasQueuedPredecessors()。

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