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公平锁

GGBOND2025/10/19大约 3 分钟基本概念

一、什么是公平锁

公平锁（Fair Lock）是一种按照 线程请求锁的先后顺序 来分配锁资源的机制。
简单来说，谁先申请锁，谁就先获得锁，像排队买票一样遵循“先来先得”的原则。

在多线程环境下，公平锁能够确保每个线程都有机会依次获得锁，避免线程“饿死”（长期得不到执行机会）。

二、公平锁与非公平锁的区别

对比项公平锁（Fair Lock）非公平锁（Non-Fair Lock）
获取顺序按请求先后顺序（FIFO）获取锁新线程可直接竞争锁，可能插队成功
公平性高（不会饿死线程）低（可能长期抢不到锁）
性能略低（需维护等待队列）较高（减少排队调度开销）
使用场景对公平性要求高的业务对性能要求高的业务

在实际项目中，非公平锁更常用，因为它减少了线程切换的开销，提高系统吞吐量。

三、为什么需要公平锁

在高并发系统中，如果没有公平机制，某些线程可能长期抢不到锁，出现“线程饥饿（Starvation）”问题。

例如：
多个线程不断竞争同一资源时，非公平锁可能让部分线程反复抢占成功，而另一些线程长时间无法执行。

公平锁的设计目的是 让线程获取锁的顺序更可预期、更稳定，避免资源分配不均。

四、Java 中的公平锁实现原理

1. ReentrantLock 的公平与非公平模式

Java 提供的 ReentrantLock 支持两种模式：

// 公平锁
Lock fairLock = new ReentrantLock(true);

// 非公平锁（默认）
Lock unfairLock = new ReentrantLock(false);

当构造参数为 true 时，表示启用公平锁机制。

2. 实现原理（基于 AQS 队列）

公平锁依赖于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）同步队列 实现：

  • 当线程尝试获取锁时，AQS 会检查是否有其他线程在等待。
  • 如果有，当前线程会被加入等待队列尾部，依次排队。
  • 当锁释放时，AQS 会唤醒队列头部的下一个线程，让其获取锁。

这种机制保证了 锁的获取顺序与请求顺序一致，实现真正的公平性。

非公平锁则不同：线程在抢锁时可以直接尝试“插队”获取锁，即使前面还有其他等待的线程，从而提高性能但牺牲公平性。

五、公平锁的优缺点

优点：

  1. 保证公平性：线程按照先后顺序获取锁，不会饿死。
  2. 调度可预测：系统行为更稳定，适合对实时性或任务顺序有要求的业务场景。

缺点：

  1. 性能略低：线程必须排队，无法利用空闲 CPU 时间快速竞争锁。
  2. 上下文切换频繁：频繁唤醒与阻塞线程会增加系统开销。

六、应用场景

  1. 任务调度系统
    确保任务按照提交顺序执行，避免后来的任务抢占先提交的任务资源。

  2. 金融交易、订单系统
    需要保证请求处理的严格顺序，避免出现处理乱序问题。

  3. 日志写入、流水记录
    对写入顺序要求严格，使用公平锁可确保顺序性与一致性。

七、总结

公平锁是一种 按请求顺序分配锁资源的机制，确保线程按照先后顺序依次获取锁，从而避免线程饥饿问题。

在 Java 中，ReentrantLock(true) 就是公平锁的典型实现。
虽然公平锁牺牲了部分性能，但在对执行顺序和公平性有要求的系统中，它能显著提升系统的稳定性与可预测性。

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