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，但可能导致某些线程饥饿，长期无法获取到锁资源。

#### 3.3 在不同场景的适用性分析

- 公平锁适用的场景：
- 对锁获取的顺序有严格要求，需要保证线程等待锁的时间能够得到合理的安排。
- 系统中的并发较低，竞争较少，公平性对性能影响不大。
- 非公平锁适用的场景：
- 对性能要求较高，竞争较激烈的场景。
- 可以容忍某些线程长期无法获取到锁的情况，或者系统中锁的竞争较少的情况。
通过对比分析，我们可以根据具体的业务场景选择合适的锁类型，来平衡性能和公平性的需求。

接下来，我们将以实际的代码示例来分析公平锁的应用和使用。

至于第四章节和第五章节的内容，请耐心等待，我们稍后完成。

# 4. 公平锁

在本章中，我们将以`ReentrantLock`为例对AQS的源码进行解析，并讨论其在实际场景中的应用。

### 4.1 以ReentrantLock为例进行源码解析

`ReentrantLock`是Java中常用的可重入锁实现，它内部通过AQS来实现锁的获取和释放。我们将重点分析`ReentrantLock`中公平锁的实现原理。

首先，让我们来看一下`ReentrantLock`的构造方法和常用方法的定义：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    // ...
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // ...
        Sync() {
            // 公平锁通过传入true来创建
            super(true);
        }
        // ...
    }

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

    // ...
}

`ReentrantLock`中定义了一个内部的静态类`Sync`，它是通过继承`AbstractQueuedSynchronizer`来实现的。`Sync`中的构造方法指定了使用公平锁。

### 4.2 公平锁的实例应用场景及示例代码

公平锁适用于需要保证多个线程获取锁的顺序的场景，确保先请求锁的线程能够先获取到锁。下面是一个使用公平锁的示例，模拟了一个售票系统：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TicketSystem {
    private static int tickets = 100;
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                while (tickets > 0) {
                    try {
                        lock.lock();
                        if (tickets > 0) {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出了第" + tickets + "张票");
                            tickets--;
                        }
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

在上述示例中，我们使用了一个静态的`ReentrantLock`对象来保护共享的`tickets`变量，同时传入`true`来创建公平锁。每个线程在卖票时，先获取锁，然后检查是否还有余票，如果有则售卖一张，并将余票数量减一。最后，无论是否售卖成功，都需要释放锁，以便其他线程可以继续执行。

以上就是以`ReentrantLock`为例进行源码解析，并展示了公平锁在售票系统中的使用情景及相应的示例代码。

在接下来的章节中，我们将继续讨论AQS的源码并分析非公平锁的实现原理。

# 5. 非公平锁

在本节中，我们将以`ReentrantLock`为例，深入分析AQS中非公平锁的源代码实现细节。我们将首先对AQS中非公平锁的实现原理进行解析，然后通过示例代码和应用场景来说明非公平锁的具体应用。

#### 5.1 `ReentrantLock`源码解析

Java中的`ReentrantLock`是使用AQS实现的一种可重入锁，通过查看`ReentrantLock`的源码，我们可以深入了解非公平锁的实现细节。我们将重点关注`ReentrantLock`中涉及到AQS的非公平锁获取与释放的核心代码部分。

// 示例代码以Java语言为例，实现非公平锁的源码解析
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    // AQS的内部类Sync是实现非公平锁的关键
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 非公平锁获取的实现，调用AQS的acquire方法
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
        // 非公平锁释放的实现，调用AQS的release方法
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }
    }
}

#### 5.2 非公平锁的实例应用场景及示例代码

非公平锁适合于某些特定场景，比如线程能够通过其他途径获得资源，而不一定需要排队。下面我们通过一个简单的示例场景来说明非公平锁的应用。

// 示例代码以Java语言为例
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class NonFairLockExample {
    private static final Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        // 创建多个线程竞争非公平锁
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Task());
            thread.start();
        }
    }

    static class Task implements Runnable {
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock");
            }
        }
    }
}

在上述示例中，我们创建了5个线程来竞争一个非公平锁，由于非公平锁并不保证获取锁的公平性，因此多个线程可能会出现抢占锁的情况。通过运行该示例，我们可以观察到多个线程获取和释放非公平锁的情况，从而理解非公平锁在实际应用中的特点。

通过本节的分析，我们深入了解了AQS中非公平锁的源码实现细节，并通过示例场景展示了非公平锁的具体应用。

# 6. 结论

### 6.1 总结公平锁与非公平锁的特点和使用场景

在本文中, 我们对AQS的实现原理进行了详细的解析，包括公平锁和非公平锁的实现机制。接下来，我们对公平锁与非公平锁进行一个总结，并分析它们在不同场景下的适用性。

公平锁强调的是线程获取锁的顺序与其请求锁的顺序相同，即按照先来先服务的原则分配锁。因此公平锁能够保证线程获取锁的公平性，在某些场景下非常有用。例如在任务调度的场景中，如果有多个线程在等待一个锁，公平锁能够保证先申请锁的线程先获得锁，从而实现任务的有序执行。然而，公平锁由于需要维护一个有序的等待队列，因此在高并发的情况下性能可能较低。

非公平锁则没有严格保证线程获取锁的顺序，它允许已经持有锁的线程再次获取到锁，也允许未持有锁的线程插队获取锁。这种方式能够减少锁的竞争，提高系统的整体性能。因此，在某些高并发且对锁获取顺序没有严格要求的场景下，非公平锁可能更加合适。例如在一些读多写少的情况下，非公平锁能够通过快速获取策略提升系统的性能。

### 6.2 对AQS源码解析的回顾和展望

通过对AQS源码的深入剖析，我们对其在公平锁和非公平锁实现中的关键原理有了更深入的理解。我们了解了AQS的核心数据结构及其在锁的获取与释放过程中的具体应用。

然而，AQS源码仍然非常庞大且复杂，我们仅仅对其中公平锁和非公平锁的实现原理进行了分析，仍有许多细节值得深入探究。同时，我们还可以进一步研究AQS在并发编程中其他重要概念的应用，如条件变量、阻塞队列等。

对于开发者而言，深入理解AQS的工作原理对于编写高效且线程安全的并发代码非常重要。我们希望本文能够为读者提供一个基础的理论基础，并鼓励大家进一步深入学习和研究AQS的源码，以便在实践中能够更好地应用AQS提供的强大功能。

通过对AQS源码解析的持续学习和实践，我们相信可以更好地掌握并发编程，提高系统性能，实现高效可靠的多线程应用。