面试题：Java ArrayBlockingQueue公平性实现原理剖析

Question

深入分析Java ArrayBlockingQueue中公平性模式的具体实现机制。从底层数据结构、锁的实现以及线程调度等方面，说明公平性模式是如何确保等待时间最长的线程优先获取资源的。同时，对比非公平性模式在这些方面的差异。

Answer 1

1. ArrayBlockingQueue 公平性模式实现机制

底层数据结构

• ArrayBlockingQueue 基于数组实现，用于存储元素。数组的容量在创建队列时就已确定，无法动态扩展。
• 它有两个指针 takeIndex 和 putIndex 分别指向队头和队尾元素的位置，通过这两个指针来控制数据的入队和出队操作。

锁的实现

• 使用 ReentrantLock 作为锁机制，在公平性模式下创建 ReentrantLock 时传入 true，即 new ReentrantLock(true)。
• ReentrantLock 内部维护了一个 Sync 抽象类，公平模式下使用 FairSync 实现类。FairSync 在尝试获取锁时，会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。

线程调度

• 等待线程被存储在 ReentrantLock 的同步队列（AbstractQueuedSynchronizer 的 CLH 队列）中。
• 当锁可用时，ReentrantLock 会按照线程在同步队列中的顺序，唤醒等待时间最长的线程。这个线程获取锁后，会从队列中移除，然后执行相应的入队或出队操作。

2. 公平性模式与非公平性模式的差异

底层数据结构

• 公平性和非公平性模式在底层数据结构上没有差异，都是基于数组和指针 takeIndex、putIndex 来实现队列操作。

锁的实现

• 公平性模式：ReentrantLock 使用 FairSync，获取锁时会先检查同步队列中是否有等待线程，若有则排队等待，按顺序获取锁。
• 非公平性模式：ReentrantLock 使用 NonfairSync，获取锁时不会检查同步队列，直接尝试获取锁，即使队列中有等待线程，当前线程也可能优先获取锁。这种方式在高并发场景下可能导致某些线程长时间等待。

线程调度

• 公平性模式：线程严格按照在同步队列中的等待顺序获取锁，保证等待时间最长的线程优先获取资源。
• 非公平性模式：线程获取锁的顺序不确定，可能导致部分线程频繁获取锁，而其他线程等待时间过长，即所谓的 “饥饿” 现象。但在高并发下，非公平性模式因为减少了线程切换的开销，通常具有更高的吞吐量。