排隊打飯：公平鎖和非公平鎖(面試)
阿新 • • 發佈：2021-01-04
## 簡介
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有個小夥伴最近諮詢我，前段時間他被**面試官**問了**synchronized**是**公平鎖還是非公平鎖**？當時就蒙圈了，最後面試結果可想而知，今天我們就用一個通俗的案例加上程式碼來說明**公平鎖**和**非公平鎖**。其實公平鎖這個概念是JUC工具包才有的，比如ReentrantLock才有公平鎖的概念，這篇文章我們結合生活中的例項用2段程式碼說明**ReentrantLock**公平鎖和非公平鎖，以及證明**synchronized是非公平鎖的。**希望對小夥伴有幫助。
## 公平鎖、非公平鎖概念
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- **公平鎖：**舉一個簡單例子，有五個同學每天必須排隊去打飯，為了簡單起見，我們給這五名同學沒人定義一個編號，分別為**編號001**到**編號005，**這五名同學按**先來後到**的排隊，打飯，先來的同學能先打到飯。每個同學都是一個執行緒，在這個過程中後來的同學是**不允許插隊的，這就是公平鎖。**
- **非公平鎖：後來到同學不一定後打到飯，在打飯的過程中，是允許插隊的，這種執行緒插入的行為人們認為是不公平的。**舉個例子，比如編號為001，002，003，004的同學先到先排隊了，005最後來排隊本應該排在004後面的，但是005看001正好打完飯離開，他就去插隊了，也就是打飯的順序由001->002->003->004->005變為001->005->002->003->004。其實你現在應該理解了，公平鎖就是正常排隊，非公平就是插隊。當然你可能會有疑問？是不是005插到001的後面一定會成功，答案是不一定，這要看時機的，我們剛才說了“005看001正好打完飯離開”，下面應該是002了，可能打飯阿姨還沒問002準備吃什麼，就看005已經排到前面去了，那005就插隊成功了，這就是時機。下面我們用程式程式碼來加深理解。
## synchronized非公平鎖
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```java
/**
* @author ：jiaolian
* @date ：Created in 2020-12-31 16:01
* @description：食堂打飯：synchronized不公平
* @modified By：
* 公眾號:叫練
*/
public class SyncUnFairLockTest {
//食堂
private static class DiningRoom {
//獲取食物
public void getFood() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":排隊中");
synchronized (this) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":@@@@@@打飯中@@@@@@@");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DiningRoom diningRoom = new DiningRoom();
//讓5個同學去打飯
for (int i=0; i<5; i++) {
new Thread(()->{
diningRoom.getFood();
},"同學編號:00"+(i+1)).start();
}
}
}
```
**如上程式碼：**我們定義一個內部類**DiningRoom**表示食堂，getFood方法裡面用synchronized鎖修飾this指向DiningRoom的例項物件（22行中的diningRoom物件），主類中讓編號001至005五個同學同時去打飯，用於測試先排隊的同學是否能先打到飯？執行程式得到**其中一種**執行結果如下圖所示，002->004->001->003->005同學先去排隊，但打飯的順序是002->003->001->004->005，說明這裡003和001兩個同學插隊了，插到004前面了，我們詳細分析執行過程，002先搶到鎖打飯了，釋放了鎖，本來應該是接下來是004搶到鎖去打飯（因為004是比003先來排隊），但003搶到鎖，打飯了，釋放了鎖，這是第一次插隊。現在還是來004搶鎖，但是沒搶到又被001搶到了，釋放鎖後才被004搶到，這是第二次插隊，後面分別再是004->005搶到鎖，釋放鎖，程式執行完畢。因為003和001插隊，我們用程式碼**證明了synchronized是非公平鎖。緊接著我們來看下ReentrantLock公平鎖和非公平鎖。**
## ReentrantLock非公平鎖 --- ```java import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** * @author ：jiaolian * @date ：Created in 2020-12-31 11:11 * @description：非公平鎖測試 在獲取鎖的時候和再獲取鎖的順序不一致; * @modified By： * 公眾號:叫練 */ public class UnFairLockTest { private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false); //食堂 private static class DiningRoom { //獲取食物 public void getFood() { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":正在排隊"); LOCK.lock(); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":@@@@@@打飯中@@@@@@@"); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { LOCK.unlock(); } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { DiningRoom diningRoom = new DiningRoom(); //讓5個同學去打飯 for (int i=0; i<5; i++) { new Thread(()->{ diningRoom.getFood(); },"同學編號:00"+(i+1)).start(); } } } ``` **如上程式碼：**我們在程式碼第13行中定義了Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；ReentrantLock的引數是false表示非公平鎖，上面程式碼需要用LOCK.lock()加鎖，LOCK.unlock()解鎖，需要放入try，finally程式碼塊中，目的是如果try中加鎖後代碼發生異常鎖最終執行LOCK.unlock()，鎖總能被釋放。主類中讓編號001至005五個同學同時去打飯，得到**其中一種**執行結果如下圖所示，001->004->005->003->002同學先去排隊，但打飯的順序是001->005->004->003->002，這裡005同學插隊了，插到004前面。我們詳細分析執行過程：001先來搶到鎖打飯了並釋放了鎖，接下來本應該是004搶到鎖，因為它先排隊，但005卻在004之前搶到鎖，打飯了，005比004後來，卻先打飯，這就是不公平鎖，後面的執行結果按先來後到執行，程式結束。我們用程式碼**證明了ReentrantLock是非公平的鎖。緊接著我們來看下ReentrantLock另一種作為公平鎖的情況。**
## ReentrantLock公平鎖 --- 基於上面的案例，我們不重複貼程式碼了，將上述程式碼中13行的**private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；**引數由false改為true，**private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(true)；**無論執行多少次可以得出一個結論：先排隊的童鞋能先打飯，不允許插對體現的就是公平鎖。
 ## ReentrantLock底層原理 --- **ReentrantLock是基於**AbstractQueuedSynchronizer（抽象佇列同步器，簡稱aqs）實現的，aqs底層維護了一個帶頭的雙向連結串列，用來**同步執行緒**，連結串列每個節點用Node表示，每個Node會記錄執行緒資訊，上下節點，節點狀態等資訊，aqs控制Node的生命週期。如下圖所示，aqs也包含條件佇列，鎖和條件佇列（condition）是一對多的關係，也就是說一個鎖可以對應多個條件佇列，執行緒間的通訊在條件佇列裡通過await，single/singleAll方法控制，synchronized只有一個條件佇列用wait，notify/notifyAll來實現，這裡不展開說了，《**母雞下蛋例項：多執行緒通訊生產者和消費者wait/notify和condition/await/signal條件佇列**》和《**Synchronized用法原理和鎖優化升級過程(面試)**》可以看我文章，裡面有大量清晰簡單案例。條件佇列也是以連結串列形式存在。Lock是基於juc包實現，synchronized是本地方法基於c++實現。
 ## 總結 --- 今天用生活中的例子轉化成程式碼，詳細的介紹了公平鎖和非公平鎖，並簡單的介紹了aqs實現原理，給您的建議是認真把程式碼敲一遍，如果執行了一遍程式碼應該能看明白，喜歡的請點贊加關注哦。我是**叫練【公眾號】**，邊叫邊練。
## ReentrantLock非公平鎖 --- ```java import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** * @author ：jiaolian * @date ：Created in 2020-12-31 11:11 * @description：非公平鎖測試 在獲取鎖的時候和再獲取鎖的順序不一致; * @modified By： * 公眾號:叫練 */ public class UnFairLockTest { private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false); //食堂 private static class DiningRoom { //獲取食物 public void getFood() { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":正在排隊"); LOCK.lock(); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":@@@@@@打飯中@@@@@@@"); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { LOCK.unlock(); } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { DiningRoom diningRoom = new DiningRoom(); //讓5個同學去打飯 for (int i=0; i<5; i++) { new Thread(()->{ diningRoom.getFood(); },"同學編號:00"+(i+1)).start(); } } } ``` **如上程式碼：**我們在程式碼第13行中定義了Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；ReentrantLock的引數是false表示非公平鎖，上面程式碼需要用LOCK.lock()加鎖，LOCK.unlock()解鎖，需要放入try，finally程式碼塊中，目的是如果try中加鎖後代碼發生異常鎖最終執行LOCK.unlock()，鎖總能被釋放。主類中讓編號001至005五個同學同時去打飯，得到**其中一種**執行結果如下圖所示，001->004->005->003->002同學先去排隊，但打飯的順序是001->005->004->003->002，這裡005同學插隊了，插到004前面。我們詳細分析執行過程：001先來搶到鎖打飯了並釋放了鎖，接下來本應該是004搶到鎖，因為它先排隊，但005卻在004之前搶到鎖，打飯了，005比004後來，卻先打飯，這就是不公平鎖，後面的執行結果按先來後到執行，程式結束。我們用程式碼**證明了ReentrantLock是非公平的鎖。緊接著我們來看下ReentrantLock另一種作為公平鎖的情況。**
## ReentrantLock公平鎖 --- 基於上面的案例，我們不重複貼程式碼了，將上述程式碼中13行的**private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(false)；**引數由false改為true，**private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(true)；**無論執行多少次可以得出一個結論：先排隊的童鞋能先打飯，不允許插對體現的就是公平鎖。
 ## ReentrantLock底層原理 --- **ReentrantLock是基於**AbstractQueuedSynchronizer（抽象佇列同步器，簡稱aqs）實現的，aqs底層維護了一個帶頭的雙向連結串列，用來**同步執行緒**，連結串列每個節點用Node表示，每個Node會記錄執行緒資訊，上下節點，節點狀態等資訊，aqs控制Node的生命週期。如下圖所示，aqs也包含條件佇列，鎖和條件佇列（condition）是一對多的關係，也就是說一個鎖可以對應多個條件佇列，執行緒間的通訊在條件佇列裡通過await，single/singleAll方法控制，synchronized只有一個條件佇列用wait，notify/notifyAll來實現，這裡不展開說了，《**母雞下蛋例項：多執行緒通訊生產者和消費者wait/notify和condition/await/signal條件佇列**》和《**Synchronized用法原理和鎖優化升級過程(面試)**》可以看我文章，裡面有大量清晰簡單案例。條件佇列也是以連結串列形式存在。Lock是基於juc包實現，synchronized是本地方法基於c++實現。
 ## 總結 --- 今天用生活中的例子轉化成程式碼，詳細的介紹了公平鎖和非公平鎖，並簡單的介紹了aqs實現原理，給您的建議是認真把程式碼敲一遍，如果執行了一遍程式碼應該能看明白，喜歡的請點贊加關注哦。我是**叫練【公眾號】**，邊叫邊練。
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