Java可重入自旋锁实现与原理解析

你在学习文章相关的知识吗？本文《Java实现可重入自旋锁的方法及原理》，主要介绍的内容就涉及到，如果你想提升自己的开发能力，就不要错过这篇文章，大家要知道编程理论基础和实战操作都是不可或缺的哦！

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：

• 单变量编码法：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();
  }
}

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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