【Java】排队打饭：公平锁和非公平锁(面试)

Z时代
2024-01-10
分类：技术分享

简介

有个小伙伴最近咨询我，前段时间他被面试官问了synchronized是公平锁还是非公平锁？当时就蒙圈了，最后面试结果可想而知，今天我们就用一个通俗的案例加上代码来说明公平锁和非公平锁。其实公平锁这个概念是JUC工具包才有的，比如ReentrantLock才有公平锁的概念，这篇文章我们结合生活中的实例用2段代码说明ReentrantLock公平锁和非公平锁，以及证明synchronized是非公平锁的。希望对小伙伴有帮助。

公平锁、非公平锁概念

公平锁：举一个简单例子，有五个同学每天必须排队去打饭，为了简单起见，我们给这五名同学每人定义一个编号，分别为编号001到编号005，这五名同学按先来后到的排队，打饭，先来的同学能先打到饭。每个同学都是一个线程，在这个过程中后来的同学是不允许插队的，这就是公平锁。

非公平锁：后来到同学不一定后打到饭，在打饭的过程中，是允许插队的，这种线程插入的行为人们认为是不公平的。举个例子，比如编号为001，002，003，004的同学先到先排队了，005最后来排队本应该排在004后面的，但是005看001正好打完饭离开，他就去插队了，也就是打饭的顺序由001->002->003->004->005变为001->005->002->003->004。其实你现在应该理解了，公平锁就是正常排队，非公平就是插队。当然你可能会有疑问？是不是005插到001的后面一定会成功，答案是不一定，这要看时机的，我们刚才说了“005看001正好打完饭离开”，下面应该是002了，可能打饭阿姨还没问002准备吃什么，就看005已经排到前面去了，那005就插队成功了，这就是时机。下面我们用程序代码来加深理解。

synchronized非公平锁

/**
* @author ：jiaolian
* @date ：Created in 2020-12-31 16:01
* @description：食堂打饭：synchronized不公平
* @modified By：
* 公众号:叫练
*/
public class SyncUnFairLockTest {
//食堂
private static class DiningRoom {
//获取食物
public void getFood() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":排队中");
synchronized (this) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":@@@@@@打饭中@@@@@@@");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DiningRoom diningRoom = new DiningRoom();
//让5个同学去打饭
for (int i=0; i<5; i++) {
new Thread(()->{
diningRoom.getFood();
},"同学编号:00"+(i+1)).start();
}
}}

如上代码：我们定义一个内部类DiningRoom表示食堂，getFood方法里面用synchronized锁修饰this指向DiningRoom的实例对象（22行中的diningRoom对象），主类中让编号001至005五个同学同时去打饭，用于测试先排队的同学是否能先打到饭？运行程序得到其中一种执行结果如下图所示，002->004->001->003->005同学先去排队，但打饭的顺序是002->003->001->004->005，说明这里003和001两个同学插队了，插到004前面了，我们详细分析执行过程，002先抢到锁打饭了，释放了锁，本来应该是接下来是004抢到锁去打饭（因为004是比003先来排队），但003抢到锁，打饭了，释放了锁，这是第一次插队。现在还是来004抢锁，但是没抢到又被001抢到了，释放锁后才被004抢到，这是第二次插队，后面分别再是004->005抢到锁，释放锁，程序执行完毕。因为003和001插队，我们用代码证明了synchronized是非公平锁。紧接着我们来看下ReentrantLock公平锁和非公平锁。

【Java】排队打饭：公平锁和非公平锁(面试)

ReentrantLock非公平锁

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* @author ：jiaolian
* @date ：Created in 2020-12-31 11:11
* @description：非公平锁测试  在获取锁的时候和再获取锁的顺序不一致;
* @modified By：
* 公众号:叫练
*/
public class UnFairLockTest {
private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false);
//食堂
private static class DiningRoom {
//获取食物
public void getFood() {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":正在排队");
LOCK.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":@@@@@@打饭中@@@@@@@");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
LOCK.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DiningRoom diningRoom = new DiningRoom();
//让5个同学去打饭
for (int i=0; i<5; i++) {
new Thread(()->{
diningRoom.getFood();
},"同学编号:00"+(i+1)).start();
}
}}

如上代码：我们在代码第13行中定义了Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；ReentrantLock的参数是false表示非公平锁，上面代码需要用LOCK.lock()加锁，LOCK.unlock()解锁，需要放入try，finally代码块中，目的是如果try中加锁后代码发生异常锁最终执行LOCK.unlock()，锁总能被释放。主类中让编号001至005五个同学同时去打饭，得到其中一种执行结果如下图所示，001->004->005->003->002同学先去排队，但打饭的顺序是001->005->004->003->002，这里005同学插队了，插到004前面。我们详细分析执行过程：001先来抢到锁打饭了并释放了锁，接下来本应该是004抢到锁，因为它先排队，但005却在004之前抢到锁，打饭了，005比004后来，却先打饭，这就是不公平锁，后面的执行结果按先来后到执行，程序结束。我们用代码证明了ReentrantLock是非公平的锁。紧接着我们来看下ReentrantLock另一种作为公平锁的情况。

【Java】排队打饭：公平锁和非公平锁(面试)

ReentrantLock公平锁

基于上面的案例，我们不重复贴代码了，将上述代码中13行的private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；参数由false改为true，private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(true)；无论执行多少次可以得出一个结论：先排队的童鞋能先打饭，不允许插队体现的就是公平锁。

【Java】排队打饭：公平锁和非公平锁(面试)

ReentrantLock底层原理

ReentrantLock是基于AbstractQueuedSynchronizer（抽象队列同步器，简称aqs）实现的，aqs底层维护了一个带头的双向链表，用来同步线程，链表每个节点用Node表示，每个Node会记录线程信息，上下节点，节点状态等信息，aqs控制Node的生命周期。如下图所示，aqs也包含条件队列，锁和条件队列（condition）是一对多的关系，也就是说一个锁可以对应多个条件队列，线程间的通信在条件队列里通过await，single/singleAll方法控制，synchronized只有一个条件队列用wait，notify/notifyAll来实现，这里不展开说了，《母鸡下蛋实例：多线程通信生产者和消费者wait/notify和condition/await/signal条件队列》和《Synchronized用法原理和锁优化升级过程(面试)》可以看我文章，里面有大量清晰简单案例。条件队列也是以链表形式存在。Lock是基于juc包实现，synchronized是本地方法基于c++实现。

【Java】排队打饭：公平锁和非公平锁(面试)