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Java 併發核心：ReentrantLock 公平鎖原理、使用姿勢與性能權衡

編輯：Java 綜合教學

為什麼需要公平鎖？

Java 內置鎖 synchronized 及 ReentrantLock 默認模式均為非公平鎖：線程釋放鎖後，等待隊列中的線程與新請求鎖的線程競爭，可能導致線程飢餓——優先級低或遲到的線程長期無法獲取鎖。公平鎖嚴格按照請求順序 (FIFO) 授予鎖，消除飢餓，代價是吞吐量下降。

ReentrantLock 公平鎖構造與核心類結構

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

FairSync：繼承 Sync → AbstractQueuedSynchronizer (AQS)，重寫 tryAcquire 增加 !hasQueuedPredecessors() 判斷。
NonfairSync：直接嘗試 CAS 獲取鎖，不檢查隊列前驅。

公平鎖獲取邏輯源碼解讀 (FairSync.tryAcquire)

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 關鍵差異：公平鎖必須檢查是否有前驅節點
        if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 重入邏輯
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
    return false;
}

hasQueuedPredecessors() 檢查當前線程節點是否為隊列首節點（頭節點的下一個），若否則排隊等待，實現 FIFO。

完整 Demo：公平鎖交替執行驗證

public class FairLockDemo implements Runnable {
    // true 開啟公平鎖
    private static final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
    // private static final ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock(false); // 對比用

    @Override public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            fairLock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 獲得鎖 - 第 " + (i+1) + " 次");
                // 模擬業務耗時
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
            finally { fairLock.unlock(); }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        FairLockDemo demo = new FairLockDemo();
        new Thread(demo, "Thread-A").start();
        new Thread(demo, "Thread-B").start();
        new Thread(demo, "Thread-C").start();
    }
}

輸出分析 (公平鎖)

Thread-A 獲得鎖 - 第 1 次
Thread-B 獲得鎖 - 第 1 次
Thread-C 獲得鎖 - 第 1 次
Thread-A 獲得鎖 - 第 2 次
Thread-B 獲得鎖 - 第 2 次
Thread-C 獲得鎖 - 第 2 次
...

三個線程嚴格輪轉，無連續搶佔。若改為非公平鎖，輸出將呈現明顯的「批次式」搶佔（某線程連續多次）。

公平鎖 vs 非公平鎖：性能與場景對比

維度	公平鎖 (FairSync)	非公平鎖 (NonfairSync / synchronized)
吞吐量	較低 (需維護隊列順序、頻繁上下文切換)	高 (新線程可「插隊」獲取鎖，減少切換)
線程飢餓	不可能	極端情況下可能
響應時間均勻性	極佳 (方差極小)	波動大
適用場景	對公平性敏感、執行時間較長的關鍵區 (如寫入操作、計費扣款)	高併發、短耗時、追求極致吞吐 (如緩存讀取、計數器)

進階：公平鎖的條件變量 (Condition)

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
Condition notFull = fairLock.newCondition();
Condition notEmpty = fairLock.newCondition();

// 生產者
fairLock.lock();
try {
    while (queue.size() == capacity) notFull.await();
    queue.add(item);
    notEmpty.signal();
} finally { fairLock.unlock(); }

// 消費者
fairLock.lock();
try {
    while (queue.isEmpty()) notEmpty.await();
    Item item = queue.poll();
    notFull.signal();
    return item;
} finally { fairLock.unlock(); }

公平鎖確保等待隊列中的線程按順序被喚醒，避免「驚群效應」下的飢餓。