【后端面经-Java】公平锁和加锁流程

1. 公平锁和非公平锁

1.1 基本概念

• 公平锁：线程按照到来的先后顺序，排队等待使用资源。
• 非公平锁：线程不一定按照先后顺序使用资源，而是可能出现“插队”的情况。

拿游乐场等待娱乐项目举例，普通游客只能按照先后顺序排队等待使用游乐设施，这就是公平锁，但是普通入口加上优速通，显然VIP游客可以快人一步，这就有点非公平锁的意思了。

1.2 ReentrantLock 的公平锁和非公平锁

在《【后端面经-Java】Synchronize和ReentrantLock区别》这篇博客中，我们对比过synchronized和ReentrantLock的区别，其中synchronized是一种非公平锁，而ReentrantLock默认是非公平锁，但是也可设置为公平锁。
具体设置方式如下：

//生成一个公平锁
static Lock lock = new ReentrantLock(true);
//生成一个非公平锁
static Lock lock = new ReentrantLock(false);
static Lock lock = new ReentrantLock();//默认参数就是false，这种写法也可

通过更改构造函数中的参数，我们可以修改ReentrantLock的锁类型，true表示公平锁，false表示非公平锁。构造函数具体代码如下所示：

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();//FairSync表示公平锁，NonfairSync表示非公平锁
}

2. 加锁流程

2.1 ReentrantLock 和 AQS 的关系

在【后端面经-Java】AQS详解这篇博客中，我们详细讲解了AQS的原理，其中提到了

AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock。

可就是说，ReentrantLock也是通过AQS来实现的，而自定义同步锁需要实现AQS框架中的tryAcquire()和tryRelease()方法或者tryAcquireShared()和tryReleaseShared()方法。

因此，ReentrantLock的加锁流程我们可用查看tryAcquire()方法了解。

2.2 公平锁-加锁流程

公平锁的tryAcquire()方法源码如下所示：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0,acquires)) {//这里判断了队列中是不是还有其他线程在等待 && 当前资源是否可用？ 
        //直接获取资源
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//如果有其他线程在等待或者资源不可用，线程进入等待态，排队等待
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) {
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        }
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

代码流程如下所示：

• 查看是否有其他线程在等待资源。
• 如果没有其他线程在等待，查看资源是否可用，如果资源可用，直接获取资源。
• 如果有其他线程在等待或者资源不可用（正在被使用），线程乖乖排到队尾，并切换为等待唤醒的休眠态。

2.3 非公平锁-加锁流程

非公平锁的tryAcquire()方法源码如下所示：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) { //这里只判断了资源是否可用，而没有判断是否有其他线程在等待
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

和公平锁相比，非公平锁的加锁流程只是少了对其他线程是否等待的判断，因此，非公平锁的加锁流程如下所示：

• 查看资源是否可用，如果资源可用，直接获取资源。
• 如果资源不可用，不需要管是否有线程在排队，还是排在等待队列队尾。

2.4 加锁流程和性能的关系

公平锁能保证线程获取资源的公平性，但是性能较低；
而非公平锁虽然无法保障公平性，但是性能更高，因此在大多数情况下，我们都会使用非公平锁。

• 关于“公平锁性能低，非公平锁性能高”的解释
  理解这个结论，我们需要知道公平锁和非公平锁申请资源的流程。
  • 对于公平锁，当一个线程创建之后，它会看是否有其他线程在等待资源，也就是看看排队队伍里面有没有人，如果有其他线程在等待，它就乖乖排到队尾，并切换为等待唤醒的休眠态。而如果没有其他线程在等待，它就直接获取资源。
  • 对于非公平锁，当一个线程创建之后，它会直接试着去获取资源，不管队伍里有没有人，如果这个时候正好资源被释放，那么非公平锁因为是抢着使用资源的，提出资源申请比首个在队列中等待的线程要早，因此资源会直接给它。如果获取资源失败，它才会乖乖去队尾排队等待。

对于线程状态的切换，从休眠态到就绪态，这部分是需要时间进行上下文切换的，因此，公平锁每次都直接进入休眠态等待被唤醒，这本身就是很耗费时间的事情，因此我们才说公平锁性能低，非公平锁性能高。

（非公平锁虽然不公平，但是性能高，真的是很讽刺的一种情况呐。）

3. 面试问题模拟

Q：公平锁是什么？加锁流程是什么？
A：公平锁是指在资源获取过程中，线程按照到来顺序排队使用资源的一种锁机制，而非公平锁则可能出现不按顺序的随机获取情况。
公平锁的加锁流程体现在tryAcquire()源码部分，当一个线程节点创建之后，它会判断当前是否有其他线程在等待以及资源是否可用，如果两个条件都满足，它则获取资源，如果不满足，它则乖乖排到队尾，等待被唤醒。

参考文献

1. 面试突击46：公平锁和非公平锁有什么区别？
2. 讲一讲公平锁和非公平锁，为什么要“非公平”？
3. ReentrantLock 加锁过程源码详解