面試突擊46：公平鎖和非公平鎖有什麼區別？

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別？孰優孰劣呢？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：每個執行緒獲取鎖的順序是按照執行緒訪問鎖的先後順序獲取的，最前面的執行緒總是最先獲取到鎖。
非公平鎖：每個執行緒獲取鎖的順序是隨機的，並不會遵循先來先得的規則，所有執行緒會競爭獲取鎖。
舉個例子，公平鎖就像開車經過收費站一樣，所有的車都會排隊等待通過，先來的車先通過，如下圖所示：
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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。
而非公平鎖相當於，來了一個強行加塞的老司機，它不會准守排隊規則，來了之後就會試圖強行加塞，如果加塞成功就順利通過，當然也有可能加塞失敗，如果失敗就乖乖去後面排隊，這種情況就是非公平鎖。
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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中得到驗證，如下源碼所示：

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

公平和非公平鎖程式碼演示

接下來我們使用 ReentrantLock 來演示一下公平鎖和非公平鎖的執行差異，首先定義一個公平鎖，開啟 3 個執行緒，每個執行緒執行兩次加鎖和釋放鎖並列印執行緒名的操作，如下程式碼所示：

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("當前執行緒：" + Thread.currentThread()
                            .getName());
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

以上程式的執行結果如下圖所示：
image.png
接下來我們使用非公平鎖來執行上面的程式碼，具體實現如下：

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("當前執行緒：" + Thread.currentThread()
                            .getName());
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

以上程式的執行結果如下圖所示：
image.png
從上述結果可以看出，使用公平鎖執行緒獲取鎖的順序是：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，原因是所有執行緒都爭搶鎖時，因為當前執行執行緒處於活躍狀態，其他執行緒屬於等待狀態（還需要被喚醒），所以當前執行緒總是會先獲取到鎖，所以最終獲取鎖的順序是：A -> A -> B -> B -> C -> C。

執行流程分析

公平鎖執行流程

獲取鎖時，先將執行緒自己添加到等待隊列的隊尾並休眠，當某執行緒用完鎖之後，會去喚醒等待隊列中隊首的執行緒嘗試去獲取鎖，鎖的使用順序也就是隊列中的先後順序，在整個過程中，執行緒會從運行狀態切換到休眠狀態，再從休眠狀態恢復成運行狀態，但執行緒每次休眠和恢復都需要從用戶態轉換成內核態，而這個狀態的轉換是比較慢的，所以公平鎖的執行速度會比較慢。

非公平鎖執行流程

當執行緒獲取鎖時，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則，從而避免了執行緒休眠和恢復的操作，這樣就加速了程式的執行效率。
公平鎖和非公平鎖的性能測試結果如下，以下測試數據來自於《Java並發編程實戰》：

image.png
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。

優缺點分析

公平鎖的優點是按序平均分配鎖資源，不會出現執行緒餓死的情況，它的缺點是按序喚醒執行緒的開銷大，執行性能不高。
非公平鎖的優點是執行效率高，誰先獲取到鎖，鎖就屬於誰，不會「按資排輩」以及順序喚醒，但缺點是資源分配隨機性強，可能會出現執行緒餓死的情況。

總結

在 Java 語言中，鎖的默認實現都是非公平鎖，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。

是非審之於己，毀譽聽之於人，得失安之於數。

公眾號：Java面試真題解析

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