JAVA ReentrantLock在高并发场景中公平锁与非公平锁性能对比

大家好，今天我们来深入探讨一下 Java 中 ReentrantLock 在高并发场景下公平锁与非公平锁的性能对比。ReentrantLock 作为 synchronized 关键字的增强版，提供了更灵活的锁机制，包括公平锁和非公平锁两种模式。理解它们的特性和在高并发场景下的表现对于编写高效、可靠的并发程序至关重要。

ReentrantLock 的基本概念

首先，我们回顾一下 ReentrantLock 的基本概念。ReentrantLock 是一个可重入的互斥锁，这意味着如果一个线程已经获得了锁，它可以再次获得该锁而不会被阻塞。这避免了死锁的发生。ReentrantLock 实现了 Lock 接口，提供了比 synchronized 更多的功能，例如：

公平锁和非公平锁: 控制锁的获取顺序。
可中断的锁: 允许线程在等待锁的过程中被中断。
超时获取锁: 允许线程在指定时间内尝试获取锁，如果超时则放弃。
多个条件变量: 允许线程在不同的条件下等待和唤醒。

公平锁与非公平锁的区别

ReentrantLock 的核心区别在于公平锁和非公平锁的实现方式。

公平锁: 按照请求锁的顺序来分配锁。如果一个线程正在等待锁，那么它会排队，当锁释放时，队列中最先等待的线程会获得锁。
非公平锁: 允许线程“插队”，即当锁释放时，如果有线程尝试获取锁，它可以尝试直接获取锁，而不需要排队。

这种“插队”机制可能会导致某些线程一直无法获取锁，从而造成饥饿现象。然而，非公平锁通常具有更高的吞吐量，因为它可以减少线程上下文切换的开销。

代码示例：公平锁和非公平锁的实现

下面我们通过代码示例来演示公平锁和非公平锁的使用：

公平锁:

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairLockExample {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // true 表示公平锁

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了锁");
                    Thread.sleep(100); // 模拟业务处理
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放了锁");
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

非公平锁:

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class UnfairLockExample {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false); // false 表示非公平锁 (默认)

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了锁");
                    Thread.sleep(100); // 模拟业务处理
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放了锁");
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

运行这两个示例，你会发现公平锁的线程获取锁的顺序更接近于线程启动的顺序，而非公平锁的线程获取锁的顺序则更随机。

高并发场景下的性能对比

在高并发场景下，公平锁和非公平锁的性能差异会更加明显。为了进行更严谨的性能对比，我们需要使用一些工具来测量吞吐量和延迟。这里，我们使用 JMH (Java Microbenchmark Harness) 来进行基准测试。

测试场景:

我们模拟一个简单的共享资源访问场景。多个线程并发地增加一个计数器的值。分别使用公平锁和非公平锁来保护计数器。

JMH 代码示例:

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@State(Scope.Benchmark)
public class LockPerformanceBenchmark {

    @Param({"true", "false"}) // true: 公平锁, false: 非公平锁
    public boolean fair;

    private ReentrantLock lock;
    private int counter;

    @Setup(Level.Trial)
    public void setup() {
        lock = new ReentrantLock(fair);
        counter = 0;
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.Throughput)
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
    @Threads(8) // 模拟 8 个线程并发访问
    public void incrementCounter() {
        lock.lock();
        try {
            counter++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(LockPerformanceBenchmark.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .warmupIterations(5)
                .measurementIterations(5)
                .build();

        new Runner(opt).run();
    }
}

代码解释:

@State(Scope.Benchmark): JMH 注解，表示该类是一个基准测试的状态对象。
@Param({"true", "false"}): JMH 注解，表示 fair 字段是一个参数，它将在每次测试迭代中取 true 和 false 两个值。
@Setup(Level.Trial): JMH 注解，表示 setup() 方法将在每次测试 trial 开始前执行。
@Benchmark: JMH 注解，表示 incrementCounter() 方法是一个基准测试方法。
@BenchmarkMode(Mode.Throughput): JMH 注解，表示测试模式为吞吐量，即每单位时间执行的操作次数。
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS): JMH 注解，表示输出时间单位为毫秒。
@Threads(8): JMH 注解，表示使用 8 个线程并发执行测试。

测试结果分析:

运行上述 JMH 测试，我们可以得到公平锁和非公平锁的吞吐量数据。通常情况下，非公平锁的吞吐量会高于公平锁。这是因为非公平锁允许线程“插队”，减少了线程上下文切换的开销。

示例测试结果（可能因环境而异）:

锁类型	吞吐量 (ops/ms)
公平锁	120
非公平锁	180

从示例结果可以看出，非公平锁的吞吐量比公平锁高出 50% 左右。

为什么非公平锁性能更高？

减少上下文切换: 当一个线程释放锁时，如果有一个正在运行的线程尝试获取锁，它可以直接获取锁，而不需要进入阻塞状态。这减少了线程上下文切换的开销。
CPU 缓存亲和性: 当一个线程释放锁后，它很可能仍然在 CPU 的缓存中。如果该线程立即再次获取锁，它可以直接从缓存中读取数据，而不需要从主内存中读取数据。

公平锁的缺点:

更高的上下文切换开销: 线程必须按照 FIFO 的顺序获取锁，这可能会导致更多的线程上下文切换。
更低的吞吐量: 由于更高的上下文切换开销，公平锁的吞吐量通常低于非公平锁。

公平锁的优点:

避免饥饿: 每个线程都有机会获取锁，避免了某些线程一直无法获取锁的情况。
更公平的资源分配: 确保每个线程都能获得公平的资源分配，避免某些线程占用过多资源。

如何选择公平锁和非公平锁

选择公平锁还是非公平锁，需要根据具体的应用场景来决定。

如果需要保证公平性，避免饥饿现象，应该选择公平锁。 例如，在某些任务调度系统中，需要保证每个任务都有机会执行，避免某些任务一直被阻塞。
如果对吞吐量要求较高，可以容忍一定的公平性损失，应该选择非公平锁。 例如，在某些缓存系统中，需要尽可能地提高吞吐量，即使某些线程可能会稍微等待更长的时间。
默认情况下，推荐使用非公平锁。 只有在确实需要保证公平性的情况下，才应该考虑使用公平锁。

表格总结：公平锁与非公平锁的对比

特性	公平锁	非公平锁
获取顺序	按照请求锁的顺序	允许“插队”，不保证请求顺序
公平性	保证公平性，避免饥饿	可能出现饥饿现象
吞吐量	较低	较高
上下文切换	较高	较低
适用场景	需要保证公平性的场景，例如任务调度系统	对吞吐量要求较高的场景，例如缓存系统，默认推荐

其他需要考虑的因素

除了公平性和吞吐量之外，还有一些其他的因素需要考虑：

锁的竞争程度: 如果锁的竞争程度很低，公平锁和非公平锁的性能差异可能不明显。
线程的调度策略: 操作系统线程调度策略也会影响锁的性能。
硬件环境: CPU 核心数、内存大小等硬件环境也会影响锁的性能。

实际案例分析

数据库连接池: 在数据库连接池中，可以使用非公平锁来提高连接获取的效率，因为连接的获取通常是短暂的，对公平性的要求不高。
消息队列: 在消息队列中，如果需要保证消息的顺序消费，可以使用公平锁来避免消息被乱序消费。
Web 服务器: 在 Web 服务器中，可以使用非公平锁来提高请求处理的吞吐量，因为 Web 请求通常是短期的，对公平性的要求不高。

避免死锁的注意事项

在使用 ReentrantLock 时，一定要注意避免死锁。死锁是指两个或多个线程互相等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行的状态。

避免死锁的常用方法:

避免循环等待: 确保线程不会循环等待多个锁。
使用超时机制: 使用 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 方法来设置获取锁的超时时间，避免线程无限期地等待锁。
按照固定的顺序获取锁: 如果需要获取多个锁，确保所有线程都按照相同的顺序获取锁。

结论和选择建议

总的来说，ReentrantLock 提供了公平锁和非公平锁两种选择，它们各有优缺点。非公平锁通常具有更高的吞吐量，但可能导致饥饿现象。公平锁可以避免饥饿，但吞吐量较低。

在实际应用中，应该根据具体的场景来选择合适的锁类型。

默认情况下，推荐使用非公平锁。
如果需要保证公平性，避免饥饿现象，才应该考虑使用公平锁。
在使用 ReentrantLock 时，一定要注意避免死锁。

理解公平锁和非公平锁的特性，并结合具体的应用场景，才能编写出高效、可靠的并发程序。

持续学习和实践

并发编程是一个复杂而重要的领域，需要不断学习和实践才能掌握。希望今天的分享能够帮助大家更好地理解 ReentrantLock 的公平锁和非公平锁，并在实际工作中做出正确的选择。感谢大家！