AQS源码解析之公平锁与非公平锁

# 1. 引言

#### 1.1 介绍AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的作用和基本原理

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发框架中提供的一个基础工具类，用于实现同步器的构建。它是实现锁和其他同步器（如Semaphore、CountDownLatch等）的核心组件。AQS提供了一套抽象的队列同步器接口，以及一些默认的实现，这些实现在实现自定义同步器时非常有用。

AQS的基本原理是通过一个FIFO队列来管理线程的竞争和排队。该队列中的节点（Node）代表线程，节点内部维护了相关的状态信息，如等待状态、锁的拥有者等。当线程获取锁时，如果锁是可用的，则线程可以直接获取锁；如果锁被其他线程持有，则当前线程会被包装成节点，并被放入队列尾部，进入等待状态。当锁的持有者释放锁时，AQS会通过相应的算法将等待队列中的线程唤醒并从队列中移除，使得其能够重新进行竞争。

#### 1.2 解释公平锁和非公平锁的概念和区别

公平锁和非公平锁是指在多个线程竞争同一个锁时，锁的获取顺序的不同策略。

- **公平锁**：在多个线程同时竞争一个锁时，会按照线程的请求顺序进行排队，先到先得。即先到的线程先尝试获取锁，而后到的线程会加入到等待队列，等待前面的线程释放锁后再进行竞争。公平锁保证了线程获取锁的顺序按照其到达的顺序，维护了系统的公平性。

- **非公平锁**：在多个线程竞争同一个锁时，不考虑线程的到达顺序，允许后到的线程直接获取锁，即插队。非公平锁的主要目标是为了提高系统的吞吐量和性能，允许后到的线程有机会直接获取锁，减少了等待的时间。

公平锁和非公平锁的区别在于对锁的获取顺序的处理策略，在某些场景下，公平锁会导致更高的线程切换开销，而非公平锁则会导致某些线程长时间无法获取到锁。因此，在实际应用中需要根据具体情况选择合适的锁策略。在接下来的章节中，我们将分析AQS在公平锁和非公平锁实现上的原理和区别。

# 2. AQS源码解析

在本章中，我们将深入探讨AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的源码实现细节。首先，我们将介绍AQS的源码结构概述，然后分别对公平锁和非公平锁的实现原理进行详细解析。通过本章的学习，你将更好地理解AQS的内部机制，并能够熟练分析其源码实现。

#### 2.1 AQS源码结构概述

AQS是Java并发包中提供的一种同步器框架，其核心思想是通过一个FIFO队列来管理线程的排队和唤醒，从而实现对共享资源的访问控制。AQS主要由以下几个部分组成：

- **同步队列（Sync Queue）**：用于存放被阻塞的线程，以及管理线程获取锁的排队顺序。
- **State变量**：记录共享资源的状态，通过CAS操作进行状态变更。
- **内部同步器（Sync）**：定义了获取锁、释放锁等操作的接口，具体子类（如ReentrantLock、CountDownLatch等）实现这些操作的具体逻辑。

AQS的内部实现比较复杂，但核心思想是基于状态的抽象，具体的同步操作由继承AQS的具体子类来实现。接下来，我们将分别对公平锁和非公平锁的实现原理进行解析。

#### 2.2 公平锁实现原理解析

##### 2.2.1 公平锁的队列机制

在AQS内部，对于公平锁，同步队列中的节点按照线程请求的先后顺序排队。每个线程都会创建一个节点（Node）并加入到队列尾部进行排队等待获取锁。

具体来说，当一个线程请求获取锁时，如果发现当前有其他线程持有锁或者队列不为空，那么该线程会以排队的方式加入等待队列。同时，AQS会确保队列中的节点按照先后顺序依次获取锁，即先进入队列的线程先获得锁的访问权限。

##### 2.2.2 公平锁的获取与释放流程

对于公平锁，线程获取锁的过程通常包括以下几个步骤：

- 线程通过acquire方法尝试获取锁，如果获取失败就会加入到等待队列中，并进入自旋状态。
- 当锁释放时，AQS会按照队列中的顺序唤醒等待线程，使得等待队列中的线程按照FIFO顺序逐个获取锁。

上述是公平锁的主要实现原理，接下来我们将对非公平锁的实现原理进行类似的解析。

# 3. 公平锁与非公平锁对比分析

在理解了AQS源码的基础上，我们来对比分析公平锁和非公平锁的特点和适用场景。

#### 3.1 基本性能特征比较

- 公平锁：
- 优点：
- 公平性较强：保证等待时间较长的线程能够优先获取锁。
- 避免饥饿：所有线程都有获取锁的机会。
- 缺点：
- 竞争激烈时性能下降：线程需要竞争锁，可能导致额外的线程调度和上下文切换。
- 可能存在线程饥饿问题：某些线程可能一直无法获取到锁。
- 非公平锁：
- 优点：
- 性能较高：线程可以直接尝试获取锁，减少了线程上下文切换的开销。
- 可能减少线程饥饿：如果锁一直可用，就没有线程饥饿问题。
- 缺点：
- 不保证公平性：可能会导致某些线程长期无法获取到锁。
#### 3.2 对系统公平性的影响

- 公平锁：确保了线程的公平性，避免了某些线程长时间无法获取锁的问题，但在高并发情况下性能可能下降。
- 非公平锁：优先为当前线程分配锁资源，性能较高