【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

《【后端面经-Java】Synchronize和ReentrantLock区别》这篇博客中,我们对比过synchronizedReentrantLock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

【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()tryRelease()方法或者tryAcquireShared()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;
}

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

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