排隊打飯：公平鎖和非公平鎖(面試)

簡介

有個小夥伴最近諮詢我，前段時間他被面試官問了synchronized是公平鎖還是非公平鎖？當時就蒙圈了，最後面試結果可想而知，今天我們就用一個通俗的案例加上代碼來說明公平鎖和非公平鎖。其實公平鎖這個概念是JUC工具包才有的，比如ReentrantLock才有公平鎖的概念，這篇文章我們結合生活中的實例用2段代碼說明ReentrantLock公平鎖和非公平鎖，以及證明synchronized是非公平鎖的。希望對小夥伴有幫助。

公平鎖、非公平鎖概念

  • 公平鎖：舉一個簡單例子，有五個同學每天必須排隊去打飯，為了簡單起見，我們給這五名同學沒人定義一個編號，分別為編號001到編號005，這五名同學按先來後到的排隊，打飯，先來的同學能先打到飯。每個同學都是一個線程，在這個過程中後來的同學是不允許插隊的，這就是公平鎖。
  • 非公平鎖：後來到同學不一定後打到飯，在打飯的過程中，是允許插隊的，這種線程插入的行為人們認為是不公平的。舉個例子，比如編號為001，002，003，004的同學先到先排隊了，005最後來排隊本應該排在004後面的，但是005看001正好打完飯離開，他就去插隊了，也就是打飯的順序由001->002->003->004->005變為001->005->002->003->004。其實你現在應該理解了，公平鎖就是正常排隊，非公平就是插隊。當然你可能會有疑問？是不是005插到001的後面一定會成功，答案是不一定，這要看時機的，我們剛才說了「005看001正好打完飯離開」，下面應該是002了，可能打飯阿姨還沒問002準備吃什麼，就看005已經排到前面去了，那005就插隊成功了，這就是時機。下面我們用程序代碼來加深理解。

synchronized非公平鎖

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-31 16:01
 * @description：食堂打飯：synchronized不公平
 * @modified By：
 * 公眾號:叫練
 */
public class SyncUnFairLockTest {

    //食堂
    private static class DiningRoom {
        //獲取食物
        public void getFood() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":排隊中");
            synchronized (this) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":@@@@@@打飯中@@@@@@@");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        DiningRoom diningRoom = new DiningRoom();
        //讓5個同學去打飯
        for (int i=0; i<5; i++) {
            new Thread(()->{
                diningRoom.getFood();
            },"同學編號:00"+(i+1)).start();
        }
    }
}

如上代碼：我們定義一個內部類DiningRoom表示食堂，getFood方法裏面用synchronized鎖修飾this指向DiningRoom的實例對象（22行中的diningRoom對象），主類中讓編號001至005五個同學同時去打飯，用於測試先排隊的同學是否能先打到飯？運行程序得到其中一種執行結果如下圖所示，002->004->001->003->005同學先去排隊，但打飯的順序是002->003->001->004->005，說明這裡003和001兩個同學插隊了，插到004前面了，我們詳細分析執行過程，002先搶到鎖打飯了，釋放了鎖，本來應該是接下來是004搶到鎖去打飯（因為004是比003先來排隊），但003搶到鎖，打飯了，釋放了鎖，這是第一次插隊。現在還是來004搶鎖，但是沒搶到又被001搶到了，釋放鎖後才被004搶到，這是第二次插隊，後面分別再是004->005搶到鎖，釋放鎖，程序執行完畢。因為003和001插隊，我們用代碼證明了synchronized是非公平鎖。緊接着我們來看下ReentrantLock公平鎖和非公平鎖。
image.png

ReentrantLock非公平鎖

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

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-31 11:11
 * @description：非公平鎖測試  在獲取鎖的時候和再獲取鎖的順序不一致;
 * @modified By：
 * 公眾號:叫練
 */
public class UnFairLockTest {

    private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false);

    //食堂
    private static class DiningRoom {
        //獲取食物
        public void getFood() {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":正在排隊");
                LOCK.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":@@@@@@打飯中@@@@@@@");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                LOCK.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DiningRoom diningRoom = new DiningRoom();
        //讓5個同學去打飯
        for (int i=0; i<5; i++) {
            new Thread(()->{
                diningRoom.getFood();
            },"同學編號:00"+(i+1)).start();
        }
    }
}

如上代碼：我們在代碼第13行中定義了Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；ReentrantLock的參數是false表示非公平鎖，上面代碼需要用LOCK.lock()加鎖，LOCK.unlock()解鎖，需要放入try，finally代碼塊中，目的是如果try中加鎖後代碼發生異常鎖最終執行LOCK.unlock()，鎖總能被釋放。主類中讓編號001至005五個同學同時去打飯，得到其中一種執行結果如下圖所示，001->004->005->003->002同學先去排隊，但打飯的順序是001->005->004->003->002，這裡005同學插隊了，插到004前面。我們詳細分析執行過程：001先來搶到鎖打飯了並釋放了鎖，接下來本應該是004搶到鎖，因為它先排隊，但005卻在004之前搶到鎖，打飯了，005比004後來，卻先打飯，這就是不公平鎖，後面的執行結果按先來後到執行，程序結束。我們用代碼證明了ReentrantLock是非公平的鎖。緊接着我們來看下ReentrantLock另一種作為公平鎖的情況。
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ReentrantLock公平鎖

基於上面的案例，我們不重複貼代碼了，將上述代碼中13行的private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；參數由false改為true，private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(true)；無論執行多少次可以得出一個結論：先排隊的童鞋能先打飯，不允許插對體現的就是公平鎖。
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ReentrantLock底層原理

ReentrantLock是基於AbstractQueuedSynchronizer（抽象隊列同步器，簡稱aqs）實現的，aqs底層維護了一個帶頭的雙向鏈表，用來同步線程，鏈表每個節點用Node表示，每個Node會記錄線程信息，上下節點，節點狀態等信息，aqs控制Node的生命周期。如下圖所示，aqs也包含條件隊列，鎖和條件隊列（condition）是一對多的關係，也就是說一個鎖可以對應多個條件隊列，線程間的通信在條件隊列里通過await，single/singleAll方法控制，synchronized只有一個條件隊列用wait，notify/notifyAll來實現，這裡不展開說了，《母雞下蛋實例：多線程通信生產者和消費者wait/notify和condition/await/signal條件隊列》和《Synchronized用法原理和鎖優化升級過程(面試)》可以看我文章，裏面有大量清晰簡單案例。條件隊列也是以鏈表形式存在。Lock是基於juc包實現，synchronized是本地方法基於c++實現。
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總結

今天用生活中的例子轉化成代碼，詳細的介紹了公平鎖和非公平鎖，並簡單的介紹了aqs實現原理，給您的建議是認真把代碼敲一遍，如果執行了一遍代碼應該能看明白，喜歡的請點贊加關注哦。我是叫練【公眾號】，邊叫邊練。
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