引言

在并发编程中，锁是用于解决多个线程对共享资源进行竞争访问的常见工具。锁机制的设计可以分为多种形式，其中最为常见的是公平锁与非公平锁。Java 提供了 ReentrantLock 来实现这两种锁的机制，通过使用公平和非公平锁，我们可以对线程竞争进行不同的控制。

公平锁保证锁的获取按照线程请求的顺序进行，而非公平锁则允许线程抢占锁。虽然公平锁可以避免线程饥饿，但它也带来了性能上的开销。本文将详细讲解公平锁与非公平锁的区别，探讨公平锁的缺点，并通过代码和图文解释 ReentrantLock 是如何实现这两种锁的。

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第一部分：什么是公平锁与非公平锁

1.1 公平锁

公平锁是指线程获取锁的顺序严格按照它们请求锁的顺序进行。即每个线程获取锁的顺序与它们排队的顺序保持一致，类似于在银行排队取号的机制。公平锁的实现通过一个先进先出的队列（FIFO）来管理线程，当某个线程持有锁时，其他线程会进入等待队列，直到轮到自己。

特点：

• 保证每个线程都能够公平地获得锁。
• 避免了线程饥饿问题。

示意图：公平锁的锁获取流程

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|  线程1 请求锁      | ---> 进入等待队列
+-------------------+
+-------------------+
|  线程2 请求锁      | ---> 进入等待队列
+-------------------+
+-------------------+
|  线程3 请求锁      | ---> 进入等待队列
+-------------------+

1.2 非公平锁

非公平锁则是一种允许线程“抢占”锁的机制。当某个线程请求锁时，它可以尝试直接获取锁，而不必等待已经在等待队列中的线程。这意味着如果当前锁没有被其他线程持有，那么请求锁的线程可以直接获取到锁，而不用排队。

特点：

• 可能导致线程饥饿：某些线程可能长时间获取不到锁。
• 性能较高，因为非公平锁减少了上下文切换和线程调度的开销。

示意图：非公平锁的锁获取流程

+-------------------+
|  线程1 请求锁      | ---> 立即尝试获取锁
+-------------------+
+-------------------+
|  线程2 请求锁      | ---> 立即尝试获取锁
+-------------------+
+-------------------+
|  线程3 请求锁      | ---> 立即尝试获取锁
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第二部分：公平锁的优缺点

2.1 公平锁的优点

1. 避免线程饥饿：公平锁严格按照请求的顺序分配锁，保证每个线程都有机会获取锁，防止某些线程长时间等待，特别是在高并发场景中，这种公平机制非常重要。

2. 任务的公平调度：在某些业务逻辑中，要求任务按照请求的顺序来处理，因此使用公平锁可以确保任务的顺序性，防止一些任务提前或被长时间延迟。

2.2 公平锁的缺点

1. 性能开销较大：公平锁需要维护一个排队机制，每当有新线程请求锁时，系统需要检查等待队列中的线程并按照顺序分配锁，这增加了锁的获取成本。

2. 上下文切换较频繁：由于每个线程都需要按照顺序等待获取锁，频繁的线程调度和上下文切换可能会降低系统的性能，特别是在高并发的场景中。

3. 降低吞吐量：由于公平锁严格按照顺序分配锁，某些本可以快速执行的线程也需要等待队列中其他线程先获取锁，这可能导致系统吞吐量的降低。

示意图：公平锁中的上下文切换

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| 线程1 获取锁         |  --> 切换到   | 线程2 等待获取锁     |
+--------------------+               +--------------------+
+--------------------+               +--------------------+
| 线程2 获取锁         |  --> 切换到   | 线程3 等待获取锁     |
+--------------------+               +--------------------+

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第三部分：非公平锁的优缺点

3.1 非公平锁的优点

1. 高性能：非公平锁允许线程“抢占”锁，而不必按照排队的顺序等待。这样可以减少线程的上下文切换和调度开销，从而提升系统的并发性能。

2. 高吞吐量：由于锁可以被直接抢占，非公平锁在某些情况下能够快速处理短时间的任务，提高系统的整体吞吐量。

3.2 非公平锁的缺点

1. 可能导致线程饥饿：非公平锁不保证线程获取锁的顺序，某些线程可能长期处于等待状态，特别是在高并发场景中，如果线程抢不到锁，就会出现线程饥饿问题。

2. 任务顺序不确定：非公平锁不保证任务的执行顺序，在某些对顺序要求严格的场景下，非公平锁可能不合适。

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第四部分：ReentrantLock 的公平锁和非公平锁实现

4.1 ReentrantLock 概述

ReentrantLock 是 Java 提供的显式锁，它比 synchronized 具有更丰富的功能。ReentrantLock 允许线程重复获取锁，并提供了公平锁与非公平锁的选择。

• 公平锁：ReentrantLock 的构造方法可以通过传入 true 参数来创建公平锁。
• 非公平锁：ReentrantLock 的默认构造方法使用非公平锁，也可以通过传入 false 参数来创建非公平锁。

4.2 ReentrantLock 的公平锁实现

当使用公平锁时，ReentrantLock 通过内部维护一个FIFO队列来确保每个线程按照请求顺序获取锁。具体实现上，ReentrantLock 使用 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的 tryAcquire 方法，检查当前是否有其他线程在排队，确保锁按照顺序分配。

代码示例：ReentrantLock 公平锁

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class FairLockExample {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);  // 公平锁public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(new Task(), "线程-" + i).start();}}static class Task implements Runnable {@Overridepublic void run() {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了锁");Thread.sleep(1000);  // 模拟业务操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}
}

运行结果（不同线程获取锁的顺序依次进行）：

线程-0 获取了锁
线程-1 获取了锁
线程-2 获取了锁
线程-3 获取了锁
线程-4 获取了锁

实现细节：

1. 当线程尝试获取锁时，ReentrantLock 会检查是否有其他线程在等待队列中。如果有，当前线程会被加入到等待队列的末尾。
2. 锁的释放时，系统会唤醒等待队列中的第一个线程，从而保证锁的获取顺序是公平的。

4.3 ReentrantLock 的非公平锁实现

非公平锁是 ReentrantLock 的默认锁实现。在非公平锁中，线程在请求锁时，不会关心等待队列中的顺序，而是直接尝试获取锁。这种抢占式的策略减少了排队和上下文切换，提高了系统的性能。

代码示例：ReentrantLock 非公平锁

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class UnfairLockExample {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  // 非公平锁public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(new Task(), "线程-" + i).start();}}static class Task implements Runnable {@Overridepublic void run() {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了锁");Thread.sleep(1000);  // 模拟业务操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}
}

运行结果（不同线程获取锁的顺序可能不按提交顺序进行）：

线程-0 获取了锁
线程-1 获取了锁
线程-3 获取了锁
线程-2 获取了锁
线程-4 获取了锁

实现细节：

1. 线程直接尝试获取锁，如果锁是可用的，立即获取，不需要查看等待队列中的其他线程。
2. 由于线程不按顺序排队，某些线程可能抢占其他线程的锁，从而提升了性能，但可能导致某些线程长期等待。

4.4 公平锁与非公平锁的性能比较

公平锁和非公平锁的核心区别在于锁的分配顺序上。公平锁保证了锁的顺序性，而非公平锁则允许锁的抢占。因此，它们在不同的应用场景下表现不同：

• 公平锁：适合对顺序性要求高的场景，但由于频繁的上下文切换，性能可能较低。
• 非公平锁：适合高并发、低延迟的场景，能够提升系统的吞吐量，但可能导致某些线程长期处于饥饿状态。

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第五部分：ReentrantLock 内部如何实现公平锁与非公平锁

ReentrantLock 的内部是通过 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）来管理锁的状态和线程队列。AQS 提供了 FIFO 队列来管理线程的等待，公平锁与非公平锁的实现主要区别在于 tryAcquire() 方法。

5.1 AQS 中的公平锁实现

对于公平锁，ReentrantLock 会首先检查等待队列中是否有其他线程，如果有，当前线程会被加入队列，等待前面的线程获取和释放锁。

代码示例：AQS 中的公平锁实现

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();// 如果当前锁是空闲的，且没有其他线程在等待，则当前线程获取锁if (c == 0) {if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}return false;
}

5.2 AQS 中的非公平锁实现

对于非公平锁，线程在获取锁时，不会检查等待队列中的其他线程，而是直接尝试获取锁。

代码示例：AQS 中的非公平锁实现

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();// 非公平锁直接尝试获取锁if (c == 0 && compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}return false;
}

5.3 公平锁与非公平锁的选择

ReentrantLock 提供了两种构造方法，开发者可以选择使用公平锁或非公平锁：

// 使用公平锁
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);// 使用非公平锁
ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock(false);

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第六部分：公平锁与非公平锁的应用场景

6.1 公平锁的应用场景

公平锁适用于对锁的顺序性要求较高的场景，典型应用包括：

• 银行排队系统：保证客户按顺序办理业务。
• 任务调度系统：确保任务按照提交的顺序执行，避免任务的无序执行导致结果错误。

6.2 非公平锁的应用场景

非公平锁适用于高并发、对性能要求较高的场景，典型应用包括：

• Web服务器：在处理高并发请求时，非公平锁能够减少锁竞争带来的性能损耗。
• 数据库连接池：非公平锁可以提高数据库连接的利用率，减少线程切换带来的开销。

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第七部分：公平锁与非公平锁的性能测试

通过实际的性能测试，可以更直观地了解公平锁与非公平锁在不同并发场景下的表现。以下是一个性能测试的示例代码，用于对比公平锁与非公平锁在高并发场景下的表现。

代码示例：公平锁与非公平锁的性能测试

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class LockPerformanceTest {private static final int THREAD_COUNT = 100;private static final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);  // 公平锁private static final ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock(false);  // 非公平锁public static void main(String[] args) throws InterruptedException {testLockPerformance(fairLock, "公平锁");testLockPerformance(unfairLock, "非公平锁");}private static void testLockPerformance(ReentrantLock lock, String lockType) throws InterruptedException {long startTime = System.currentTimeMillis();Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {threads[i] = new Thread(() -> {for (int j = 0; j < 100000; j++) {lock.lock();try {// 模拟业务操作} finally {lock.unlock();}}});}// 启动所有线程for (Thread thread : threads) {thread.start();}// 等待所有线程完成for (Thread thread : threads) {thread.join();}long endTime = System.currentTimeMillis();System.out.println(lockType + " 耗时: " + (endTime - startTime) + " 毫秒");}
}

运行结果：

公平锁 耗时: 3500 毫秒
非公平锁 耗时: 2900 毫秒

分析：

• 在高并发场景下，非公平锁由于减少了线程的上下文切换，性能更高。
• 公平锁由于需要维护线程的顺序性，性能相对较低，但保证了线程的公平性。

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第八部分：总结

公平锁与非公平锁是并发编程中两种常见的锁机制，它们各自具有不同的优缺点，适用于不同的应用场景。在高并发的环境下，非公平锁能够带来更高的性能，但可能会导致某些线程饥饿。而公平锁则通过维护一个FIFO队列，保证线程能够按照请求顺序获取锁，防止线程饥饿，但会带来一定的性能损耗。

ReentrantLock 提供了对公平锁与非公平锁的支持，开发者可以根据实际需求选择合适的锁类型。在需要保证任务顺序性的场景下，公平锁是较好的选择；而在对性能要求较高的场景中，非公平锁更具优势。

通过对这两种锁的实现原理、性能对比以及应用场景的分析，开发者可以更好地理解并选择适合自己的锁机制，从而提高系统的并发性能和稳定性。