如何通过 AQS 同步器框架的 CLH 队列实现理解公平锁与非公平锁的调度逻辑

落静酱_1924

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2026-04-20

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公平锁要求线程必须按clh队列fifo顺序获取锁,即仅当节点为队首时才尝试cas抢锁;非公平锁则允许新线程直接cas抢锁,可能插队,提升吞吐但牺牲顺序性。

如何通过 aqs 同步器框架的 clh 队列实现理解公平锁与非公平锁的调度逻辑

公平锁的 acquire 流程依赖 CLH 队列的 FIFO 顺序

公平锁的核心约束是:线程必须排在 CLH 队列尾部,且仅当自己是队首节点时才尝试获取锁。这意味着即使锁刚被释放,刚到的线程也不能插队——它得先入队,等前面所有节点都轮完一遍。

关键点在于 hasQueuedPredecessors() 方法的判断逻辑:

  • 它检查当前线程节点是否为队首(即前驱节点是 head)
  • 若不是,则直接返回 true,触发 acquireQueued() 进入阻塞等待
  • 这个检查发生在 CAS 尝试抢锁之前,彻底堵死了“唤醒即抢到”的捷径

所以公平锁下,ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true) 的行为是可预测的:线程 T0 先调用 lock(),T1/T2 陆续到达,最终执行顺序几乎总是 T0 → T1 → T2,除非发生中断或超时。

非公平锁的 tryAcquire 跳过队列检查直接 CAS 抢锁

非公平锁(默认构造,new ReentrantLock())在 acquire() 入口就多了一次“插队机会”:它先不查队列,直接调用 tryAcquire() 尝试 CAS 修改 state。

这导致两个典型现象:

  • 刚释放锁的瞬间,下一个唤醒的线程还没来得及入队,新来的线程可能抢先抢到锁(compareAndSwapInt 成功)
  • 即使 CLH 队列里已有等待节点,新线程仍会尝试抢锁;只有抢失败了,才老老实实调用 addWaiter() 入队
  • 所以你可能看到线程 T2 在 T1 之前获得锁——这不是 bug,是设计使然

这种“唤醒 + 插队”双重机会,让非公平锁吞吐更高,但牺牲了调度确定性。

CLH 队列本身不区分公平/非公平,区别全在 acquire 逻辑分支

AQS 的 CLH 队列始终是 FIFO 双向链表结构,节点插入、唤醒、取消都遵循相同规则。所谓“公平”或“非公平”,完全由子类 FairSync 和 NonfairSync 对 tryAcquire() 的重写决定。

具体差异体现在:

  • FairSync.tryAcquire(int acquires) 开头必调 hasQueuedPredecessors()
  • NonfairSync.tryAcquire(int acquires) 直接走 compareAndSwapState(0, acquires)
  • 两者共用同一套 acquireQueued(),即入队后的等待逻辑完全一致

换句话说:CLH 是舞台,公平性是导演给演员写的剧本——换剧本不换布景。

实际调试时注意 state 和 waitStatus 的耦合关系

别只盯着队列结构,state 字段和节点的 waitStatus 才真正驱动调度。例如:

  • 一个节点 waitStatus == Node.SIGNAL 表示它已准备好被唤醒,但能否执行取决于 state 是否为 0
  • 非公平锁下,state 可能刚从 1 变成 0,同时多个线程在 CAS,只有一个成功;其余失败者才去读 waitStatus 决定是否 park
  • 公平锁下,即便 state == 0,也要先确认自己是队首,否则不碰 state

最容易忽略的是:CLH 队列里节点的生命周期和线程状态并不严格一一对应——比如中断或超时取消的节点,waitStatus 会设为 CANCELLED,但它仍留在队列中,只是后续节点会跳过它。这点在分析 dump 日志时特别容易误判。

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