【后端面經-Java】公平鎖和加鎖流程-有解無憂

1. 公平鎖和非公平鎖
- 1.1 基本概念
- 1.2 ReentrantLock 的公平鎖和非公平鎖
2. 加鎖流程
- 2.1 ReentrantLock 和 AQS 的關系
- 2.2 公平鎖-加鎖流程
- 2.3 非公平鎖-加鎖流程
- 2.4 加鎖流程和性能的關系
3. 面試問題模擬
參考文獻

1. 公平鎖和非公平鎖

1.1 基本概念

公平鎖：執行緒按照到來的先后順序，排隊等待使用資源，
非公平鎖：執行緒不一定按照先后順序使用資源，而是可能出現“插隊”的情況，

拿游樂場等待娛樂專案舉例，普通游客只能按照先后順序排隊等待使用游樂設施，這就是公平鎖，但是普通入口加上優速通，顯然VIP游客可以快人一步，這就有點非公平鎖的意思了，

1.2 ReentrantLock 的公平鎖和非公平鎖

在《【后端面經-Java】Synchronize和ReentrantLock區別》這篇博客中，我們對比過synchronized和ReentrantLock的區別，其中synchronized是一種非公平鎖，而ReentrantLock默認是非公平鎖，但是也可設定為公平鎖，
具體設定方式如下：

//生成一個公平鎖
static Lock lock = new ReentrantLock(true);
//生成一個非公平鎖
static Lock lock = new ReentrantLock(false);
static Lock lock = new ReentrantLock();//默認引數就是false，這種寫法也可

通過更改建構式中的引數，我們可以修改ReentrantLock的鎖型別，true表示公平鎖，false表示非公平鎖，建構式具體代碼如下所示：

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

2. 加鎖流程

2.1 ReentrantLock 和 AQS 的關系

在【后端面經-Java】AQS詳解這篇博客中，我們詳細講解了AQS的原理，其中提到了

AQS定義了一套多執行緒訪問共享資源的同步器框架，許多同步類實作都依賴于它，如常用的ReentrantLock，

可就是說，ReentrantLock也是通過AQS來實作的，而自定義同步鎖需要實作AQS框架中的tryAcquire()和tryRelease()方法或者tryAcquireShared()和tryReleaseShared()方法，

因此，ReentrantLock的加鎖流程我們可用查看tryAcquire()方法了解，

2.2 公平鎖-加鎖流程

公平鎖的tryAcquire()方法原始碼如下所示：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0,acquires)) {//這里判斷了佇列中是不是還有其他執行緒在等待 && 當前資源是否可用？ 
        //直接獲取資源
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//如果有其他執行緒在等待或者資源不可用，執行緒進入等待態，排隊等待
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) {
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        }
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

代碼流程如下所示：

查看是否有其他執行緒在等待資源，
如果沒有其他執行緒在等待，查看資源是否可用，如果資源可用，直接獲取資源，
如果有其他執行緒在等待或者資源不可用（正在被使用），執行緒乖乖排到隊尾，并切換為等待喚醒的休眠態，

2.3 非公平鎖-加鎖流程

非公平鎖的tryAcquire()方法原始碼如下所示：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) { //這里只判斷了資源是否可用，而沒有判斷是否有其他執行緒在等待
            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;
}

和公平鎖相比，非公平鎖的加鎖流程只是少了對其他執行緒是否等待的判斷，因此，非公平鎖的加鎖流程如下所示：

查看資源是否可用，如果資源可用，直接獲取資源，
如果資源不可用，不需要管是否有執行緒在排隊，還是排在等待佇列隊尾，

2.4 加鎖流程和性能的關系

公平鎖能保證執行緒獲取資源的公平性，但是性能較低；
而非公平鎖雖然無法保障公平性，但是性能更高，因此在大多數情況下，我們都會使用非公平鎖，

關于“公平鎖性能低，非公平鎖性能高”的解釋
理解這個結論，我們需要知道公平鎖和非公平鎖申請資源的流程，
- 對于公平鎖，當一個執行緒創建之后，它會看是否有其他執行緒在等待資源，也就是看看排隊隊伍里面有沒有人，如果有其他執行緒在等待，它就乖乖排到隊尾，并切換為等待喚醒的休眠態，而如果沒有其他執行緒在等待，它就直接獲取資源，
- 對于非公平鎖，當一個執行緒創建之后，它會直接試著去獲取資源，不管隊伍里有沒有人，如果這個時候正好資源被釋放，那么非公平鎖因為是搶著使用資源的，提出資源申請比首個在佇列中等待的執行緒要早，因此資源會直接給它，如果獲取資源失敗，它才會乖乖去隊尾排隊等待，

對于執行緒狀態的切換，從休眠態到就緒態，這部分是需要時間進行背景關系切換的，因此，公平鎖每次都直接進入休眠態等待被喚醒，這本身就是很耗費時間的事情，因此我們才說公平鎖性能低，非公平鎖性能高，

（非公平鎖雖然不公平，但是性能高，真的是很諷刺的一種情況吶，）

3. 面試問題模擬

Q：公平鎖是什么？加鎖流程是什么？
A：公平鎖是指在資源獲取程序中，執行緒按照到來順序排隊使用資源的一種鎖機制，而非公平鎖則可能出現不按順序的隨機獲取情況，
公平鎖的加鎖流程體現在tryAcquire()原始碼部分，當一個執行緒節點創建之后，它會判斷當前是否有其他執行緒在等待以及資源是否可用，如果兩個條件都滿足，它則獲取資源，如果不滿足，它則乖乖排到隊尾，等待被喚醒，

參考文獻

面試突擊46：公平鎖和非公平鎖有什么區別？
講一講公平鎖和非公平鎖，為什么要“非公平”？
ReentrantLock 加鎖程序原始碼詳解

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