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作者 | 王磊

來源 | Java中文社群(ID：javacn666)

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在 Java 中 synchronized 和 ReentrantLock 默認使用的都是非公平鎖，而它們采用非公平鎖的原因都是一致的，都是為了提升程序的性能。那為什么非公平鎖就能提升性能呢?接下來我們一起來看。

非公平鎖

非公平鎖：每個線程獲取鎖的順序是隨機的，并不會遵循先來先得的規(guī)則，任何線程在某時刻都有可能直接獲取并擁有鎖。

這就好比磊哥去加油，到了加油站之后發(fā)現(xiàn)前面有人在加，于是我就在車?yán)锼⑵鹆硕兑簦^了一會，前面的車加完油走了，但磊哥沒注意到，還在車?yán)镉淇斓乃⒅兑?。然而此時加油站又來了一輛車，發(fā)現(xiàn)有空閑的油槍，于是就搶先在磊哥之前把油加了。這里的油槍就是鎖，沒有按照到達的先后順序得到油槍，這就是非公平鎖。

公平鎖

公平鎖：每個線程獲取鎖的順序是按照線程訪問鎖的先后順序獲取的，最前面的線程總是最先獲取到鎖。

這就好像上高速排隊過收費站一樣，所有的車要排隊等待通行，最先來的車最先通過收費站。

性能對比

公平鎖和非公平鎖的性能測試結(jié)果如下，以下測試數(shù)據(jù)來自于《Java并發(fā)編程實戰(zhàn)》：

從上述結(jié)果可以看出，使用非公平鎖的吞吐率(單位時間內(nèi)成功獲取鎖的平均速率)要比公平鎖高很多。

性能分析

以上測試數(shù)據(jù)雖然說明了結(jié)果，但并不能說明為什么非公平鎖的性能會更高?所以，接下來，我們通過分析公平鎖和非公平的執(zhí)行流程，來得到這個問題的答案。

公平鎖執(zhí)行流程獲取鎖時，先將線程自己添加到等待隊列的隊尾并休眠，當(dāng)某線程用完鎖之后，會去喚醒等待隊列中隊首的線程嘗試去獲取鎖，鎖的使用順序也就是隊列中的先后順序，在整個過程中，線程會從運行狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)，再從休眠狀態(tài)恢復(fù)成運行狀態(tài)，但線程每次休眠和恢復(fù)都需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換成內(nèi)核態(tài)，而這個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是比較慢的，所以公平鎖的執(zhí)行速度會比較慢。

用戶態(tài) & 內(nèi)核態(tài)

用戶態(tài)(User Mode)：當(dāng)進程在執(zhí)行用戶自己的代碼時，則稱其處于用戶運行態(tài)。內(nèi)核態(tài)(Kernel Mode)：當(dāng)一個任務(wù)(進程)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時，我們就稱進程處于內(nèi)核運行態(tài)，此時處理器處于特權(quán)級最高的內(nèi)核代碼中執(zhí)行。

為什么分內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)?

假設(shè)沒有內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之分，程序就可以隨意讀寫硬件資源了，比如隨意讀寫和分配內(nèi)存，這樣如果程序員一不小心將不適當(dāng)?shù)膬?nèi)容寫到了不該寫的地方，很可能就會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

而有了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)分之后，程序在執(zhí)行某個操作時會進行一系列的驗證和檢驗之后，確認沒問題之后才可以正常的操作資源，這樣就不會擔(dān)心一不小心就把系統(tǒng)搞壞的情況了，也就是有了內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的區(qū)分之后可以讓程序更加安全的運行，但同時兩種形態(tài)的切換會導(dǎo)致一定的性能開銷。

非公平鎖執(zhí)行流程

當(dāng)線程獲取鎖時，會先通過 CAS 嘗試獲取鎖，如果獲取成功就直接擁有鎖，如果獲取鎖失敗才會進入等待隊列，等待下次嘗試獲取鎖。這樣做的好處是，獲取鎖不用遵循先到先得的規(guī)則，從而避免了線程休眠和恢復(fù)的操作，這樣就加速了程序的執(zhí)行效率。

比如前幾天磊哥去一個小營業(yè)廳辦理網(wǎng)絡(luò)移機的業(yè)務(wù)，去了之后發(fā)現(xiàn)前面有人在辦業(yè)務(wù)，于是磊哥就告訴前面(辦理業(yè)務(wù))的小姐姐，“我門口休息一下，您等會辦理完業(yè)務(wù)，麻煩去門口叫一下我”，小姐姐人也比較好，一口就答應(yīng)下來了。

但在小姐姐辦完業(yè)務(wù)之后叫我，和我回到柜臺辦理業(yè)務(wù)之間，是有一段空閑時間的，這和等待隊列中的線程被喚醒和恢復(fù)執(zhí)行之間是有一段空閑時間是一樣的，而在這個空閑的時間中，營業(yè)廳又來了一個老李頭來交話費，等老李交完話費，我恰好也剛回來可以直接辦理業(yè)務(wù)了，這樣就是一個“三贏”的局面。

老李頭不用排在我后面等著繳話費，我也不用等老李頭交完話費再辦理移機，而且在單位時間內(nèi)提高了營業(yè)員辦理業(yè)務(wù)的效率，她也能早早的回家，這就是所謂的“三贏”。在更短的時間內(nèi)執(zhí)行更多的任務(wù)，這就是非公平鎖的優(yōu)勢。

總結(jié)

本文我們介紹了公平鎖和非公平鎖的定義以及執(zhí)行流程，從二者執(zhí)行流程的細節(jié)可以看出，非公平鎖因為不用按(順)序執(zhí)行，所以后來的鎖也可以直接嘗試獲得鎖，沒有了阻塞和恢復(fù)執(zhí)行的步驟，所以它的性能會更高。