面试突击46：公平锁和非公平锁有什么区别？

从公平的角度来说，Java 中的锁总共可分为两类：公平锁和非公平锁。但公平锁和非公平锁有哪些区别？孰优孰劣呢？在 Java 中的应用场景又有哪些呢？接下来我们一起来看。

正文

公平锁：每个线程获取锁的顺序是按照线程访问锁的先后顺序获取的，最前面的线程总是最先获取到锁。
非公平锁：每个线程获取锁的顺序是随机的，并不会遵循先来先得的规则，所有线程会竞争获取锁。
举个例子，公平锁就像开车经过收费站一样，所有的车都会排队等待通过，先来的车先通过，如下图所示：

通过收费站的顺序也是先来先到，分别是张三、李四、王五，这种情况就是公平锁。
而非公平锁相当于，来了一个强行加塞的老司机，它不会准守排队规则，来了之后就会试图强行加塞，如果加塞成功就顺利通过，当然也有可能加塞失败，如果失败就乖乖去后面排队，这种情况就是非公平锁。

应用场景

在 Java 语言中，锁 synchronized 和 ReentrantLock 默认都是非公平锁，当然我们在创建 ReentrantLock 时，可以手动指定其为公平锁，但 synchronized 只能为非公平锁。
ReentrantLock 默认为非公平锁可以在它的源码实现中得到验证，如下源码所示：

当使用 new ReentrantLock(true) 时，可以创建公平锁，如下源码所示：

公平和非公平锁代码演示

接下来我们使用 ReentrantLock 来演示一下公平锁和非公平锁的执行差异，首先定义一个公平锁，开启 3 个线程，每个线程执行两次加锁和释放锁并打印线程名的操作，如下代码所示：

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("当前线程：" + Thread.currentThread()
                            .getName());
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示：

接下来我们使用非公平锁来执行上面的代码，具体实现如下：

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("当前线程：" + Thread.currentThread()
                            .getName());
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示：

从上述结果可以看出，使用公平锁线程获取锁的顺序是：A -> B -> C -> A -> B -> C，也就是按顺序获取锁。而非公平锁，获取锁的顺序是 A -> A -> B -> B -> C -> C，原因是所有线程都争抢锁时，因为当前执行线程处于活跃状态，其他线程属于等待状态（还需要被唤醒），所以当前线程总是会先获取到锁，所以最终获取锁的顺序是：A -> A -> B -> B -> C -> C。

执行流程分析

公平锁执行流程

获取锁时，先将线程自己添加到等待队列的队尾并休眠，当某线程用完锁之后，会去唤醒等待队列中队首的线程尝试去获取锁，锁的使用顺序也就是队列中的先后顺序，在整个过程中，线程会从运行状态切换到休眠状态，再从休眠状态恢复成运行状态，但线程每次休眠和恢复都需要从用户态转换成内核态，而这个状态的转换是比较慢的，所以公平锁的执行速度会比较慢。

非公平锁执行流程

当线程获取锁时，会先通过 CAS 尝试获取锁，如果获取成功就直接拥有锁，如果获取锁失败才会进入等待队列，等待下次尝试获取锁。这样做的好处是，获取锁不用遵循先到先得的规则，从而避免了线程休眠和恢复的操作，这样就加速了程序的执行效率。
公平锁和非公平锁的性能测试结果如下，以下测试数据来自于《Java并发编程实战》：

从上述结果可以看出，使用非公平锁的吞吐率（单位时间内成功获取锁的平均速率）要比公平锁高很多。

优缺点分析

公平锁的优点是按序平均分配锁资源，不会出现线程饿死的情况，它的缺点是按序唤醒线程的开销大，执行性能不高。
非公平锁的优点是执行效率高，谁先获取到锁，锁就属于谁，不会“按资排辈”以及顺序唤醒，但缺点是资源分配随机性强，可能会出现线程饿死的情况。

总结

在 Java 语言中，锁的默认实现都是非公平锁，原因是非公平锁的效率更高，使用 ReentrantLock 可以手动指定其为公平锁。非公平锁注重的是性能，而公平锁注重的是锁资源的平均分配，所以我们要选择合适的场景来应用二者。

是非审之于己，毁誉听之于人，得失安之于数。

公众号：Java面试真题解析

面试合集：https://gitee.com/mydb/interview