锁是怎么实现的

在Java中，锁通过控制线程对共享资源的访问权限来实现线程的阻塞与等待。其核心机制涉及对象监视器（Monitor）和队列管理，以下是具体实现原理及流程：

---

一、内置锁（synchronized）的线程等待机制

1. 对象监视器（Monitor）模型

每个Java对象都与一个Monitor关联，由对象头中的Mark Word记录锁状态。

• Mark Word结构：包含锁标志位（如01表示无锁，00表示轻量级锁，10表示重量级锁）和指向Monitor的指针。
• Monitor核心组件：
  • Entry Set（等待队列）：线程尝试获取锁失败后进入此队列，处于阻塞状态（BLOCKED）。
  • Owner（持有者）：当前持有锁的线程。
  • Wait Set（等待集合）：线程调用wait()后释放锁并移入此队列，等待notify()唤醒。

2. 线程阻塞与唤醒流程

• 加锁（monitorenter）：
  1. 线程尝试通过CAS修改Mark Word获取锁。
  2. 若锁已被占用，线程进入Entry Set并阻塞（操作系统级互斥量Mutex实现）。
• 释放锁（monitorexit）：
  1. 持有锁的线程执行完毕或抛出异常时释放锁。
  2. JVM从Entry Set唤醒一个线程重新竞争锁。

示例：

synchronized (obj) {
    // 临界区代码
}

编译后对应字节码monitorenter和monitorexit指令，控制线程的阻塞与唤醒。

---

二、显式锁（ReentrantLock）的线程等待机制

显式锁基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现，通过内部队列和状态变量管理线程阻塞。

1. AQS核心组件

• state变量：表示锁的占用状态（0未锁定，≥1被占用，支持可重入）。
• CLH队列：双向链表结构的等待队列，存储阻塞线程的节点（Node）。

2. 线程阻塞与唤醒流程

• 加锁（lock()）：
  1. 尝试通过CAS修改state字段获取锁。
  2. 若失败，将线程包装为Node加入CLH队列尾部，并调用LockSupport.park()挂起线程。
• 释放锁（unlock()）：
  1. 持有锁的线程修改state为0。
  2. 唤醒队列中首个等待节点（通过LockSupport.unpark()）。

示例：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock();
}

---

三、锁的线程等待策略对比

特性	synchronized	ReentrantLock
阻塞机制	重量级锁依赖操作系统互斥量	基于AQS自旋+CAS，减少上下文切换
灵活性	不支持中断或超时	支持tryLock(timeout)和可中断锁
公平性	非公平锁（默认）	可选公平/非公平模式

---

四、线程等待的底层实现

1. 操作系统级阻塞

• 重量级锁（synchronized）：依赖内核态互斥量（Mutex），线程切换涉及用户态到内核态转换，开销较大。
• 轻量级锁优化：通过CAS自旋减少内核态切换，若自旋超过阈值（默认10次）则升级为重量级锁。

2. 线程状态变化

• BLOCKED：线程竞争锁失败后进入阻塞状态（如Entry Set中的线程）。
• WAITING：调用wait()后线程进入等待集合（Wait Set），需显式唤醒。

---

五、避免线程饥饿与死锁

1. 顺序加锁：多个线程按相同顺序获取锁，避免循环依赖。
2. 超时机制：使用tryLock(timeout)防止无限等待。
3. 死锁检测：通过工具（如jstack）分析线程堆栈，定位锁竞争路径。

---

总结

Java通过Monitor模型（synchronized）和AQS队列（ReentrantLock）实现线程的阻塞与唤醒。

• synchronized：简单易用，但灵活性差，适合低竞争场景。
• ReentrantLock：支持高级功能（如中断、超时），适合复杂并发需求。
  理解底层机制有助于优化高并发程序性能，避免死锁等问题。