公平锁和非公平锁是Java中用以管理同步资源访问的两种锁类型。公平锁在分配资源时会考虑等待时间长短，保证最先请求的线程最先获得锁；而非公平锁则可能允许后请求的线程先获得锁，这通常因为其实现中不保证处理顺序，可以导致某些线程饿死，但在某些场景下性能更优。具体而言，公平锁在释放锁后会检查是否有线程正在等待，并确保按照请求顺序分配锁；而非公平锁释放后会立即尝试获取锁，不检查等待队列，因此获得锁的机会对所有线程是随机的。Java中的ReentrantLock类在创建时可以指定是公平锁还是非公平锁。
一、公平锁的特性和适用场景
公平锁的核心特性是处理锁请求时会考虑线程的等待时间，使得等待时间最长的线程有更高的优先级获取锁，这样做的好处是可以保证资源分配的公平性，避免线程饿死现象。
公平锁的实现原理是线程在请求资源时会进入等待队列，队列采用FIFO（先进先出）的处理方式。每当锁释放时，它会从队列头部选取线程分配锁。在高并发环境下，公平锁由于涉及到对等待队列的管理，会导致额外的性能开销，因此通常适用于对于响应时间公平性要求较高的场景。
在具体应用中，如果系统设计要求所有的线程都能平均分配到资源时间，以避免由于线程饥饿问题导致的程序性能问题或者不可预计的行为，则更倾向于使用公平锁。
二、非公平锁的特性和适用场景
与公平锁相反，非公平锁允许线程插队，这说明当锁可用时，不一定是等待时间最长的线程获得锁，任何请求锁的线程都有机会获得锁。这种机制的好处是减少线程切换的次数和管理等待队列的复村度，从而在某些场景下提高性能。
非公平锁的特性意味着在重入锁可用时，新请求锁的线程可能比等待中的线程更快获取到锁。非公平锁的优先级不是基于等待时间，而是基于锁获取时的实际情况。
在性能敏感且不太关心线程等待时间公平性的场景下，非公平锁通常是更好的选择。它能够降低延迟，提高程序吞吐量，特别是在锁竞争不是非常激烈的情况下。
三、公平锁与非公平锁的性能比较
当讨论公平锁和非公平锁时，性能是一个重要的比较因素。公平锁由于需要维护一个有序队列，因此在锁的获取与释放上相较于非公平锁有更大的性能开销。这体现在每次锁的分配都需要查询和更新队列，这增加了额外的延迟，并可能导致更多的CPU资源消耗。
非公平锁由于其插队特性，通常具有更快的响应时间和更高的吞吐量。在多线程环境下，非公平锁可以减少线程切换的次数，因为线程可能在尚未进入等待队列前就获取到了锁。
在测试和实际应用中，非公平锁通常能提供比公平锁更好的性能指标，特别是在锁的竞争不是特别激烈，或者对响应时间的要求高于公平性时。
四、选择公平锁还是非公平锁
选择使用公平锁还是非公平锁需要综合考量多个因素。如果应用程序涉及到大量的数据处理，且每个线程对共享资源的请求时间相对较长，那么使用公平锁可能更合适，因为它能够保证线程获取资源的均衡性，避免某些线程长时间得不到服务。
然而，在某些情况下，如果对响应时间的要求很高，且对线程获取资源的顺序没有严格要求，或者当锁的竞争不是很高时，非公平锁会是更好的选择。非公平锁能提供更快的锁分配速度，更高的性能。
相关问答FAQs：
1. 什么是 Java 公平锁和非公平锁？这两者有何区别？
公平锁和非公平锁是 Java 中用于控制多线程并发访问的两种锁机制。它们的区别在于获取锁的方式不同。
2. 在使用 Java 锁的时候，我应该选择公平锁还是非公平锁？有何考虑因素？
选择使用公平锁还是非公平锁取决于具体的场景和需求。公平锁保证等待时间最长的线程会获得锁，因此适用于对线程调度顺序有要求的情况。而非公平锁则允许插队，能够提高整体的吞吐量，适用于获取锁的竞争并不激烈的情况。
3. 如何正确使用 Java 公平锁和非公平锁？有哪些注意事项？
无论选择公平锁还是非公平锁，都可以通过 ReentrantLock 类或 synchronized 关键字来实现。在使用锁时，注意以下几点：
- 如果使用公平锁，确保在创建锁时指定
true参数来保证公平性。 - 在使用非公平锁时，可以提供一些合理的机制来控制插队的频率，以免造成某些线程一直无法获取到锁。
- 在确保线程安全的前提下，尽量减少需要并发访问的代码块，以提高程序的执行效率。
- 根据具体场景和需求，合理选择适合的锁机制，避免过度使用锁带来的额外开销。
