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reentrantlock非公平锁不会随机挂起线程?_【原创】Java并发编程系列16 | 公平锁与非公平锁...

發(fā)布時間：2023/12/15 java 23 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 reentrantlock非公平锁不会随机挂起线程?_【原创】Java并发编程系列16 | 公平锁与非公平锁... 小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

本文為何適原創(chuàng)并發(fā)編程系列第 16 篇，文末有本系列文章匯總。

上一篇提到重入鎖 ReentrantLock 支持兩種鎖，公平鎖與非公平鎖。那么這篇文章就來介紹一下公平鎖與非公平鎖。

為什么需要公平鎖？
ReentrantLock 如何是實現(xiàn)公平鎖和非公平鎖的？
公平鎖和非公平鎖又都有什么優(yōu)缺點呢？

1. 為什么需要公平鎖

饑餓

我們知道 CPU 會根據(jù)不同的調(diào)度算法進(jìn)行線程調(diào)度，將時間片分派給線程，那么就可能存在一個問題：某個線程可能一直得不到 CPU 分配的時間片，也就不能執(zhí)行。

一個線程因為得不到 CPU 運行時間，就會處于饑餓狀態(tài)。如果該線程一直得不到 CPU 運行時間的機會，最終會被“饑餓致死”。

1.1 導(dǎo)致線程饑餓的原因

高優(yōu)先級線程吞噬所有的低優(yōu)先級線程的 CPU 時間。

每個線程都有獨自的線程優(yōu)先級，優(yōu)先級越高的線程獲得的 CPU 時間越多，如果并發(fā)狀態(tài)下的線程包括一個低優(yōu)先級的線程和多個高優(yōu)先級的線程，那么這個低優(yōu)先級的線程就有可能因為得不到 CPU 時間而饑餓。

線程被永久堵塞在一個等待進(jìn)入同步塊的狀態(tài)。

當(dāng)同步鎖被占用，線程處在 BLOCKED 狀態(tài)等鎖。當(dāng)鎖被釋放，處在 BLOCKED 狀態(tài)的線程都會去搶鎖，搶到鎖的線程可以執(zhí)行，未搶到鎖的線程繼續(xù)在 BLOCKED 狀態(tài)阻塞。問題在于這個搶鎖過程中，到底哪個線程能搶到鎖是沒有任何保障的，這就意味著理論上是會有一個線程會一直搶不到鎖，那么它將會永遠(yuǎn)阻塞下去的，導(dǎo)致饑餓。

線程在一個對象上等待，但一直沒有未被喚醒。

當(dāng)一個線程調(diào)用 Object.wait()之后會被阻塞，直到被 Object.notify()喚醒。而 Object.notify()是隨機選取一個線程喚醒的，不能保證哪一個線程會獲得喚醒。因此如果多個線程都在一個對象的 wait()上阻塞，在沒有調(diào)用足夠多的 Object.notify()時，理論上是會有一個線程因為一直得不到喚醒而處于 WAITING 狀態(tài)的，從而導(dǎo)致饑餓。

1.2 解決饑餓

解決饑餓的方案被稱之為公平性，即所有線程能公平地獲得運行機會。
公平性針對獲取鎖而言的，如果一個鎖是公平的，那么鎖的獲取順序就應(yīng)該符合請求上的絕對時間順序，滿足 FIFO。

2. 公平鎖和非公平鎖的實現(xiàn)

溫馨提示：在理解了上一篇 AQS 實現(xiàn) ReentrantLock 的原理之后，學(xué)習(xí)公平鎖和非公平鎖的實現(xiàn)會很容易。

ReentrantLock 的類結(jié)構(gòu)：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private final Sync sync;
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
static final class FairSync extends Sync {}
static final class NonfairSync extends Sync {}
}

ReentrantLock 鎖是由 sync 來管理的，而 Sync 是抽象類，所以 sync 只能是 NonfairSync(非公平鎖)和 FairSync(公平鎖)中的一種，也就是說重入鎖 ReentrantLock 要么是非公平鎖，要么是公平鎖。

ReentrantLock 在構(gòu)造時，就已經(jīng)選擇好是公平鎖還是非公平鎖了，默認(rèn)是非公平鎖。源碼如下：

public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

上一篇講解了重入鎖實現(xiàn)同步過程：

線程 1 調(diào)用 lock()加鎖，判斷 state=0，所以直接獲取到鎖，設(shè)置 state=1 exclusiveOwnerThread=線程 1。

線程 2 調(diào)用 lock()加鎖，判斷 state=1 exclusiveOwnerThread=線程 1，鎖已經(jīng)被線程 1 持有，線程 2 被封裝成結(jié)點 Node 加入同步隊列中排隊等鎖。此時線程 1 執(zhí)行同步代碼，線程 2 阻塞等鎖。

線程 1 調(diào)用 unlock()解鎖，判斷 exclusiveOwnerThread=線程 1，可以解鎖。設(shè)置 state 減 1，exclusiveOwnerThread=null。state 變?yōu)?0 時，喚醒 AQS 同步隊列中 head 的后繼結(jié)點，這里是線程 2。

線程 2 被喚醒，再次去搶鎖，成功之后執(zhí)行同步代碼。

獲取鎖的方法調(diào)用棧：lock()--> acquire()--> tryAcquire()--> acquire()

acquire()是父類 AQS 的方法，公平鎖與非公平鎖都一樣，不同之處在于 lock()和 tryAcquire()。

lock()方法源碼：

// 公平鎖FairSync
final void lock() {
acquire(1);
}

// 非公平鎖NonfairSync
final void lock() {
// 在調(diào)用acquire()方法獲取鎖之前，先CAS搶鎖
if (compareAndSetState(0, 1)) // state=0時，CAS設(shè)置state=1
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}

可以看到，非公平鎖在調(diào)用 acquire()方法獲取鎖之前，先利用 CAS 將 state 修改為 1，如果成功就將 exclusiveOwnerThread 設(shè)置為當(dāng)前線程。
state 是鎖的標(biāo)志，利用 CAS 將 state 從 0 修改為 1 就代表獲取到了該鎖。

所以非公平鎖和公平鎖的不同之處在于lock()之后，公平鎖直接調(diào)用 acquire()方法，而非公平鎖先利用 CAS 搶鎖，如果 CAS 獲取鎖失敗再調(diào)用 acquire()方法。

那么，非公平鎖先利用 CAS 搶鎖到底有什么作用呢？

回憶一下釋放鎖的過程 AQS.release()方法：

state 改為 0，exclusiveOwnerThread 設(shè)置為 null

喚醒 AQS 隊列中 head 的后繼結(jié)點線程去獲取鎖

如果在線程 2 在線程 1 釋放鎖的過程中調(diào)用 lock()方法獲取鎖，

對于公平鎖：線程 2 只能先加入同步隊列的隊尾，等隊列中在它之前的線程獲取、釋放鎖之后才有機會去搶鎖。這也就保證了公平，先到先得。

對于非公平鎖：線程 1 釋放鎖過程執(zhí)行到一半，“①state 改為 0，exclusiveOwnerThread 設(shè)置為 null”已經(jīng)完成，此時線程 2 調(diào)用 lock()，那么 CAS 就搶鎖成功。這種情況下線程 2 是可以先獲取非公平鎖而不需要進(jìn)入隊列中排隊的，也就不公平了。

tryAcquire()方法源碼：

// 公平鎖
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {// state==0表示沒有線程占用鎖
if (!hasQueuedPredecessors() && // AQS隊列中沒有結(jié)點時，再去獲取鎖
compareAndSetState(0, acquires)) { // CAS獲取鎖
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 重入
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

// 非公平鎖
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {// state==0表示沒有線程占用鎖
if (compareAndSetState(0, acquires)) {// CAS獲取鎖
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {// 重入
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

兩個 tryAcquire()方法只有一行代碼不同，公平鎖多了一行!hasQueuedPredecessors()。hasQueuedPredecessors()方法是判斷 AQS 隊列中是否還有結(jié)點，如果隊列中沒有結(jié)點返回 false。

公平鎖的 tryAcquire()：如果 AQS 同步隊列中仍然有線程在排隊，即使這個時刻沒有線程占用鎖時，當(dāng)前線程也是不能去搶鎖的，這樣可以保證先來等鎖的線程先有機會獲取鎖。

非公平鎖的 tryAcquire()：**只要當(dāng)前時刻沒有線程占用鎖，不管同步隊列中是什么情況，當(dāng)前線程都可以去搶鎖。**如果當(dāng)前線程搶到了鎖，對于那些早早在隊列中排隊等鎖的線程就是不公平的了。

分析總結(jié)：

非公平鎖和公平鎖只有兩處不同：

lock()方法：
公平鎖直接調(diào)用 acquire()，當(dāng)前線程到同步隊列中排隊等鎖。
非公平鎖會先利用 CAS 搶鎖，搶不到鎖才會調(diào)用 acquire()。

tryAcquire()方法：
公平鎖在同步隊列還有線程等鎖時，即使鎖沒有被占用，也不能獲取鎖。非公平鎖不管同步隊列中是什么情況，直接去搶鎖。

3. 公平鎖 VS 非公平鎖

非公平鎖有可能導(dǎo)致線程永遠(yuǎn)無法獲取到鎖，造成饑餓現(xiàn)象。而公平鎖保證線程獲取鎖的順序符合請求上的時間順序，滿足 FIFO，可以解決饑餓問題。

公平鎖為了保證時間上的絕對順序，需要頻繁的上下文切換，性能開銷較大。而非公平鎖會降低一定的上下文切換，有更好的性能，可以保證更大的吞吐量，這也是 ReentrantLock 默認(rèn)選擇的是非公平鎖的原因。

總結(jié)

一個線程因為得不到 CPU 運行時間，就會處于饑餓狀態(tài)。公平鎖是為了解決饑餓問題。

公平鎖要求線程獲取鎖的順序符合請求上的時間順序，滿足 FIFO。

在獲取公平鎖時，要先看同步隊列中是否有線程在等鎖，如果有線程已經(jīng)在等鎖了，就只能將當(dāng)前線程加到隊尾。只有沒有線程等鎖時才能獲取鎖。而在獲取非公平鎖時，不管同步隊列中是什么情況，只要有機會就嘗試搶鎖。

非公平鎖有更好的性能，可以保證更大的吞吐量。

參考資料

《Java 并發(fā)編程之美》

《Java 并發(fā)編程實戰(zhàn)》

《Java 并發(fā)編程的藝術(shù)》

并發(fā)系列文章匯總

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的reentrantlock非公平锁不会随机挂起线程?_【原创】Java并发编程系列16 | 公平锁与非公平锁...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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