作者 | 磊哥

來源 | Java面試真題解析(ID：aimianshi666)

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從公平的角度來說，Java 中的鎖總共可分為兩類：公平鎖和非公平鎖。但公平鎖和非公平鎖有哪些區(qū)別?孰優(yōu)孰劣呢?在 Java 中的應用場景又有哪些呢?接下來我們一起來看。

正文

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。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，所有線程會競爭獲取鎖。舉個例子，公平鎖就像開車經(jīng)過收費站一樣，所有的車都會排隊等待通過，先來的車先通過，如下圖所示：

通過收費站的順序也是先來先到，分別是張三、李四、王五，這種情況就是公平鎖。而非公平鎖相當于，來了一個強行加塞的老司機，它不會準守排隊規(guī)則，來了之后就會試圖強行加塞，如果加塞成功就順利通過，當然也有可能加塞失敗，如果失敗就乖乖去后面排隊，這種情況就是非公平鎖。

應用場景

在 Java 語言中，鎖 synchronized 和 ReentrantLock 默認都是非公平鎖，當然我們在創(chuàng)建 ReentrantLock 時，可以手動指定其為公平鎖，但 synchronized 只能為非公平鎖。ReentrantLock 默認為非公平鎖可以在它的源碼實現(xiàn)中得到驗證，如下源碼所示：

當使用 new ReentrantLock(true) 時，可以創(chuàng)建公平鎖，如下源碼所示：

當使用 new ReentrantLock(true) 時，可以創(chuàng)建公平鎖，如下源碼所示：

公平和非公平鎖代碼演示

接下來我們使用 ReentrantLock 來演示一下公平鎖和非公平鎖的執(zhí)行差異，首先定義一個公平鎖，開啟 3 個線程，每個線程執(zhí)行兩次加鎖和釋放鎖并打印線程名的操作，如下代碼所示：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReentrantLockFairTest {
    static Lock lock = new ReentrantLock(true);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 2; j++) {
                    lock.lock();
                    System.out.println("當前線程：" + Thread.currentThread()
                            .getName());
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

以上程序的執(zhí)行結果如下圖所示：

接下來我們使用非公平鎖來執(zhí)行上面的代碼，具體實現(xiàn)如下：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockFairTest {
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 2; j++) {
                    lock.lock();
                    System.out.println("當前線程：" + Thread.currentThread()
                            .getName());
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

以上程序的執(zhí)行結果如下圖所示：

從上述結果可以看出，使用公平鎖線程獲取鎖的順序是：A -> B -> C -> A -> B -> C，也就是按順序獲取鎖。而非公平鎖，獲取鎖的順序是 A -> A -> B -> B -> C -> C，原因是所有線程都爭搶鎖時，因為當前執(zhí)行線程處于活躍狀態(tài)，其他線程屬于等待狀態(tài)(還需要被喚醒)，所以當前線程總是會先獲取到鎖，所以最終獲取鎖的順序是：A -> A -> B -> B -> C -> C。

執(zhí)行流程分析

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)恢復成運行狀態(tài)，但線程每次休眠和恢復都需要從用戶態(tài)轉換成內核態(tài)，而這個狀態(tài)的轉換是比較慢的，所以公平鎖的執(zhí)行速度會比較慢。

非公平鎖執(zhí)行流程

當線程獲取鎖時，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的操作，這樣就加速了程序的執(zhí)行效率。公平鎖和非公平鎖的性能測試結果如下，以下測試數(shù)據(jù)來自于《Java并發(fā)編程實戰(zhàn)》：

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

優(yōu)缺點分析

公平鎖的優(yōu)點是按序平均分配鎖資源，不會出現(xiàn)線程餓死的情況，它的缺點是按序喚醒線程的開銷大，執(zhí)行性能不高。非公平鎖的優(yōu)點是執(zhí)行效率高，誰先獲取到鎖，鎖就屬于誰，不會“按資排輩”以及順序喚醒，但缺點是資源分配隨機性強，可能會出現(xiàn)線程餓死的情況。

總結

在 Java 語言中，鎖的默認實現(xiàn)都是非公平鎖，原因是非公平鎖的效率更高，使用 ReentrantLock 可以手動指定其為公平鎖。非公平鎖注重的是性能，而公平鎖注重的是鎖資源的平均分配，所以我們要選擇合適的場景來應用二者。