面试题：Java中可重入锁与公平锁的区别

Question

请详细阐述Java中可重入锁和公平锁的概念，并说明它们在实现机制和应用场景上有哪些区别。

Answer 1

可重入锁

1. 概念：
   • 可重入锁，也叫递归锁，指的是同一个线程在外层方法获取了锁，在进入该线程的内层方法时同样可以获取该锁，不需要重新获取。例如，一个线程在执行一个同步方法A，该方法中又调用了另一个同步方法B，此时如果使用可重入锁，线程无需再次获取锁就可以进入方法B。在Java中，synchronized关键字修饰的方法或代码块以及ReentrantLock都是可重入锁。
2. 实现机制：
   • synchronized：JVM通过为每个对象维护一个锁计数器来实现可重入性。当线程第一次获取锁时，锁计数器设为1。若该线程再次进入同步块，锁计数器递增。线程每退出一次同步块，锁计数器递减，当计数器为0时，锁被释放。
   • ReentrantLock：ReentrantLock内部使用AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架来实现。AQS维护一个FIFO队列来管理等待获取锁的线程，同时通过一个状态变量（state）来记录锁的持有情况。当线程获取锁时，若state为0，表示锁未被占用，线程获取锁并将state设为1；若state不为0且当前线程是持有锁的线程，则将state加1，实现可重入。释放锁时，将state减1，当state为0时，锁被完全释放。
3. 应用场景：
   • 适用于大多数多线程同步场景，尤其是在一个线程需要多次获取同一把锁的情况下，比如在复杂的业务逻辑中，一个方法调用链中可能多次涉及到对同一资源的同步访问。可重入锁避免了死锁的发生，因为线程可以多次获取自己已经持有的锁，而不会因为重复获取锁而陷入死循环等待。

公平锁

1. 概念：
   • 公平锁是指在锁的竞争中，等待时间最长的线程会优先获得锁。即按照请求锁的先后顺序来分配锁，遵循FIFO原则。这样可以保证所有线程都有机会获得锁，不会出现某些线程长时间等待而得不到锁的情况。
2. 实现机制：
   • ReentrantLock：ReentrantLock通过构造函数的参数来控制是否为公平锁，ReentrantLock(boolean fair)，当fair为true时创建公平锁。在公平锁的实现中，ReentrantLock的tryAcquire方法会首先检查同步队列中是否有等待时间更长的线程。如果有，则当前线程会进入同步队列等待，而不是直接尝试获取锁。这样就保证了锁的分配是公平的。
   • synchronized：synchronized是非公平锁，它在锁可用时，不会考虑等待队列中线程的等待顺序，而是让等待队列中的线程随机竞争获取锁。
3. 应用场景：
   • 适用于对线程公平性要求较高的场景，比如在一些资源分配场景中，需要确保每个线程都能按照请求顺序获得资源，避免某些线程长时间得不到资源而导致饥饿现象。但公平锁由于需要维护等待队列和检查等待顺序，性能相对非公平锁较低，因为频繁的线程切换和队列操作会带来额外的开销。

区别

1. 实现机制区别：
   • 可重入锁主要通过锁计数器（synchronized）或AQS状态变量（ReentrantLock）来实现线程对同一锁的多次获取；而公平锁主要通过维护等待队列并按照FIFO原则分配锁（如ReentrantLock的公平锁实现），synchronized不具备公平性实现机制。
2. 应用场景区别：
   • 可重入锁适用于大多数需要避免死锁的多线程同步场景，注重线程对同一资源的多次访问安全性；公平锁适用于对线程公平性要求高，希望避免线程饥饿的场景，但可能会牺牲一定的性能。性能方面，可重入锁（如ReentrantLock的非公平模式和synchronized）通常比公平锁性能更好，因为公平锁的公平性维护需要额外的开销。