怎么利用 ReentrantLock 的 NonfairSync 源码理解为何非公平锁通常比公平锁具有更高吞吐

陌明同学_7964

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2026-04-21

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原创

非公平锁吞吐更高,因其tryacquire中省略hasqueuedpredecessors()检查,直接cas抢锁,避免队列探查、入队、park/unpark及上下文切换开销。

怎么利用 reentrantlock 的 nonfairsync 源码理解为何非公平锁通常比公平锁具有更高吞吐

看 NonfairSync.tryAcquire 里那行没检查队列的 CAS

非公平锁吞吐高的最直接原因,就藏在 tryAcquire 方法开头:它拿到锁状态为 0 后,**不调用 hasQueuedPredecessors()**,而是立刻执行 compareAndSetState(0, acquires)。这意味着刚到的新线程不用排队、不休眠,直接抢——抢成功就进临界区,抢失败才老老实实入队。

对比公平锁的同位置逻辑:!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(...),多一次队列判空 + 队首比对,哪怕只是几个 CPU 指令,也卡在了关键路径上。

  • 高频短临界区场景下,大量线程“刚来就抢中”,省掉了整个入队 + park + 唤醒流程
  • hasQueuedPredecessors() 内部要遍历 CLH 队列头节点的前驱,不是零成本操作
  • 没有 park 就没有用户态→内核态切换,避免了上下文切换的毫秒级延迟

为什么 hasQueuedPredecessors() 是公平锁的性能瓶颈

这个方法表面只判断“当前线程是否排在队首”,但底层要读取 AQS 的 head 和 tail 节点,并检查 head.next != null && head.next.thread != Thread.currentThread()。它本质是一次**内存可见性敏感的链表探查**,在高争用下容易引发缓存行竞争。

更关键的是:它把“能否抢锁”这个本可并行的动作,变成了一个需要协调队列状态的串行检查点。

  • 多个线程同时调用该方法时,会频繁读取同一块 volatile 内存(head),触发 CPU 缓存同步开销
  • 即使队列为空,也要走完完整判断逻辑,无法像非公平锁那样“快路径直落”
  • 公平锁的每次 lock() 至少两次 volatile 读(state + head),而非公平锁在抢中时仅需一次

非公平锁不是永远不排队,而是“能抢则抢,抢不过再排”

很多人误以为非公平锁完全无视队列,其实不然。NonfairSync 在抢锁失败后,依然会走 AQS 标准的 acquire 流程:入队 → park → 等待唤醒。它的“非公平”只体现在**首次尝试阶段**。

这也解释了为什么非公平锁不会彻底饿死等待线程:一旦抢不到,它就和公平锁一样老实在队尾排队,后续唤醒仍是 FIFO。

  • 饥饿只发生在“持续有新线程高频抵达+临界区极短”的极端组合下
  • 实际业务中,只要临界区不是纳秒级,队列中的线程总有机会被唤醒
  • 而公平锁的“绝对公平”代价是:每个线程都必须经历 park/unpark,哪怕它本可以立刻抢中

默认用非公平锁,不是因为“不公平更好”,而是因场景适配

ReentrantLock 默认构造函数走的是 new NonfairSync(),这不是设计偏好,而是基于真实负载的权衡结果。JVM 中的 synchronized 同样默认非公平,背后逻辑一致。

真正需要公平锁的场景极少:比如任务调度器要求严格按提交顺序执行,或金融系统中指令执行序不能错乱。其余绝大多数 Web 服务、缓存、计数等场景,非公平锁的吞吐优势压倒性胜出。

  • 吞吐差异在高并发下可达 2–5 倍(《Java 并发编程实战》数据)
  • 公平锁的额外开销集中在锁获取端;非公平锁把压力转移到了锁释放端(唤醒逻辑不变)
  • 如果你真测出公平锁更快,大概率是测试未打满 CPU 或临界区过长,掩盖了 park 成本

真正容易被忽略的点是:非公平锁的“高吞吐”依赖于线程到达节奏与临界区耗时的匹配。如果临界区很长,新线程抢中的概率趋近于 0,它就退化成和公平锁差不多的行为——但此时你该优化的早不是锁类型,而是临界区本身。

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