synchronized与Lock的区别与使用详解

引言

昨天在学习别人分享的面试经验时,看到Lock的使用。想起自己在上次面试也遇到了synchronized与Lock的区别与使用。于是,我整理了两者的区别和使用情况,同时,对synchronized的使用过程一些常见问题的总结,最后是参照源码和说明文档,对Lock的使用写了几个简单的Demo。

技术点:

1、线程与进程:

在开始之前先把进程与线程进行区分一下,一个程序最少需要一个进程,而一个进程最少需要一个线程。关系是线程–>进程–>程序的大致组成结构。所以线程是程序执行流的最小单位,而进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。以下我们所有讨论的都是建立在线程基础之上。

2、Thread的几个重要方法:

我们先了解一下Thread的几个重要方法。a、start()方法,调用该方法开始执行该线程;b、stop()方法,调用该方法强制结束该线程执行;c、join方法,调用该方法等待该线程结束。d、sleep()方法,调用该方法该线程进入等待。e、run()方法,调用该方法直接执行线程的run()方法,但是线程调用start()方法时也会运行run()方法,区别就是一个是由线程调度运行run()方法,一个是直接调用了线程中的run()方法!!

看到这里,可能有些人就会问啦,那wait()和notify()呢?要注意,其实wait()与notify()方法是Object的方法,不是Thread的方法!!同时,wait()与notify()会配合使用,分别表示线程挂起和线程恢复。

这里还有一个很常见的问题,顺带提一下:wait()与sleep()的区别,简单来说wait()会释放对象锁而sleep()不会释放对象锁。这些问题有很多的资料,不再赘述。

3、线程状态:

线程总共有5大状态,通过上面第二个知识点的介绍,理解起来就简单了。

  • 新建状态:新建线程对象,并没有调用start()方法之前
  • 就绪状态:调用start()方法之后线程就进入就绪状态,但是并不是说只要调用start()方法线程就马上变为当前线程,在变为当前线程之前都是为就绪状态。值得一提的是,线程在睡眠和挂起中恢复的时候也会进入就绪状态哦。
  • 运行状态:线程被设置为当前线程,开始执行run()方法。就是线程进入运行状态
  • 阻塞状态:线程被暂停,比如说调用sleep()方法后线程就进入阻塞状态
  • 死亡状态:线程执行结束

4、锁类型

  • 可重入锁:在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁
  • 可中断锁:在等待获取锁过程中可中断
  • 公平锁: 按等待获取锁的线程的等待时间进行获取,等待时间长的具有优先获取锁权利
  • 读写锁:对资源读取和写入的时候拆分为2部分处理,读的时候可以多线程一起读,写的时候必须同步地写

synchronized与Lock的区别

1、我把两者的区别分类到了一个表中,方便大家对比:

类别

synchronized

Lock

存在层次

Java的关键字,在jvm层面上

是一个类

锁的释放

1、以获取锁的线程执行完同步代码,释放锁 2、线程执行发生异常,jvm会让线程释放锁

在finally中必须释放锁,不然容易造成线程死锁

锁的获取

假设A线程获得锁,B线程等待。如果A线程阻塞,B线程会一直等待

分情况而定,Lock有多个锁获取的方式,具体下面会说道,大致就是可以尝试获得锁,线程可以不用一直等待

锁状态

无法判断

可以判断

锁类型

可重入 不可中断 非公平

可重入 可判断 可公平(两者皆可)

性能

少量同步

大量同步

或许,看到这里还对LOCK所知甚少,那么接下来,我们进入LOCK的深入学习。

Lock详细介绍与Demo

以下是Lock接口的源码,笔者修剪之后的结果:

public interface Lock {

    /**
     * Acquires the lock.
     */
    void lock();

    /**
     * Acquires the lock unless the current thread is
     * {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    /**
     * Acquires the lock only if it is free at the time of invocation.
     */
    boolean tryLock();

    /**
     * Acquires the lock if it is free within the given waiting time and the
     * current thread has not been {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * Releases the lock.
     */
    void unlock();

}

从Lock接口中我们可以看到主要有个方法,这些方法的功能从注释中可以看出:

  • lock():获取锁,如果锁被暂用则一直等待
  • unlock():释放锁
  • tryLock(): 注意返回类型是boolean,如果获取锁的时候锁被占用就返回false,否则返回true
  • tryLock(long time, TimeUnit unit):比起tryLock()就是给了一个时间期限,保证等待参数时间
  • lockInterruptibly():用该锁的获得方式,如果线程在获取锁的阶段进入了等待,那么可以中断此线程,先去做别的事

通过 以上的解释,大致可以解释在上个部分中“锁类型(lockInterruptibly())”,“锁状态(tryLock())”等问题,还有就是前面子所获取的过程我所写的“大致就是可以尝试获得锁,线程可以不会一直等待”用了“可以”的原因。

下面是Lock一般使用的例子,注意ReentrantLock是Lock接口的实现。

lock():

package com.brickworkers;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    //需要参与同步的方法
    private void method(Thread thread){
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "获得了锁");
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest lockTest = new LockTest();

        //线程1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}
//执行情况:线程名t1获得了锁
//         线程名t1释放了锁
//         线程名t2获得了锁
//         线程名t2释放了锁

tryLock():

package com.brickworkers;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    //需要参与同步的方法
    private void method(Thread thread){
/*      lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "获得了锁");
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "释放了锁");
            lock.unlock();
        }*/


        if(lock.tryLock()){
            try {
                System.out.println("线程名"+thread.getName() + "获得了锁");
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println("线程名"+thread.getName() + "释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        }else{
            System.out.println("我是"+Thread.currentThread().getName()+"有人占着锁,我就不要啦");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest lockTest = new LockTest();

        //线程1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

//执行结果: 线程名t2获得了锁
//         我是t1有人占着锁,我就不要啦
//         线程名t2释放了锁

看到这里相信大家也都会使用如何使用Lock了吧,关于tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()不再赘述。前者主要存在一个等待时间,在测试代码中写入一个等待时间,后者主要是等待中断,会抛出一个中断异常,常用度不高,喜欢探究可以自己深入研究。

前面比较重提到“公平锁”,在这里可以提一下ReentrantLock对于平衡锁的定义,在源码中有这么两段:

/**
     * Sync object for non-fair locks
     */
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

    /**
     * Sync object for fair locks
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

从以上源码可以看出在Lock中可以自己控制锁是否公平,而且,默认的是非公平锁,以下是ReentrantLock的构造函数:

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();//默认非公平锁
    }


补充:

回来再看自己的博客,发现东西阐述的不够完整。这里再做一下补充,为了不误导大家,尽量介绍给大家正确的表述:

1、两种锁的底层实现方式:

synchronized:我们知道java是用字节码指令来控制程序(这里不包括热点代码编译成机器码)。在字节指令中,存在有synchronized所包含的代码块,那么会形成2段流程的执行。

我们点击查看SyncDemo.java的源码SyncDemo.class,可以看到如下:

如上就是这段代码段字节码指令,没你想的那么难吧。言归正传,我们可以清晰段看到,其实synchronized映射成字节码指令就是增加来两个指令:monitorenter和monitorexit。当一条线程进行执行的遇到monitorenter指令的时候,它会去尝试获得锁,如果获得锁那么锁计数+1(为什么会加一呢,因为它是一个可重入锁,所以需要用这个锁计数判断锁的情况),如果没有获得锁,那么阻塞。当它遇到monitorexit的时候,锁计数器-1,当计数器为0,那么就释放锁。

那么有的朋友看到这里就疑惑了,那图上有2个monitorexit呀?马上回答这个问题:上面我以前写的文章也有表述过,synchronized锁释放有两种机制,一种就是执行完释放;另外一种就是发送异常,虚拟机释放。图中第二个monitorexit就是发生异常时执行的流程,这就是我开头说的“会有2个流程存在“。而且,从图中我们也可以看到在第13行,有一个goto指令,也就是说如果正常运行结束会跳转到19行执行。

这下,你对synchronized是不是了解的很清晰了呢。接下来我们再聊一聊Lock。

Lock:Lock实现和synchronized不一样,后者是一种悲观锁,它胆子很小,它很怕有人和它抢吃的,所以它每次吃东西前都把自己关起来。而Lock呢底层其实是CAS乐观锁的体现,它无所谓,别人抢了它吃的,它重新去拿吃的就好啦,所以它很乐观。具体底层怎么实现,博主不在细述,有机会的话,我会对concurrent包下面的机制好好和大家说说,如果面试问起,你就说底层主要靠volatile和CAS操作实现的。

现在,我要说的是:尽可能去使用synchronized而不要去使用LOCK

什么概念呢?我和大家打个比方:你叫jdk,你生了一个孩子叫synchronized,后来呢,你领养了一个孩子叫LOCK。起初,LOCK刚来到新家的时候,它很乖,很懂事,各个方面都表现的比synchronized好。你很开心,但是你内心深处又有一点淡淡的忧伤,你不希望你自己亲生的孩子竟然还不如一个领养的孩子乖巧。这个时候,你对亲生的孩子教育更加深刻了,你想证明,你的亲生孩子synchronized并不会比领养的孩子LOCK差。(只是打个比方)

那如何教育呢?

在jdk1.6~jdk1.7的时候,也就是synchronized16、7岁的时候,你作为爸爸,你给他优化了,具体优化在哪里呢:

1、线程自旋和适应性自旋

我们知道,java’线程其实是映射在内核之上的,线程的挂起和恢复会极大的影响开销。并且jdk官方人员发现,很多线程在等待锁的时候,在很短的一段时间就获得了锁,所以它们在线程等待的时候,并不需要把线程挂起,而是让他无目的的循环,一般设置10次。这样就避免了线程切换的开销,极大的提升了性能。

而适应性自旋,是赋予了自旋一种学习能力,它并不固定自旋10次一下。他可以根据它前面线程的自旋情况,从而调整它的自旋,甚至是不经过自旋而直接挂起。

2、锁消除

什么叫锁消除呢?就是把不必要的同步在编译阶段进行移除。

那么有的小伙伴又迷糊了,我自己写的代码我会不知道这里要不要加锁?我加了锁就是表示这边会有同步呀?

并不是这样,这里所说的锁消除并不一定指代是你写的代码的锁消除,我打一个比方:

在jdk1.5以前,我们的String字符串拼接操作其实底层是StringBuffer来实现的(这个大家可以用我前面介绍的方法,写一个简单的demo,然后查看class文件中的字节码指令就清楚了),而在jdk1.5之后,那么是用StringBuilder来拼接的。我们考虑前面的情况,比如如下代码:

String str1="qwe";
String str2="asd";
String str3=str1+str2;

底层实现会变成这样:

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("qwe");
sb.append("asd");

我们知道,StringBuffer是一个线程安全的类,也就是说两个append方法都会同步,通过指针逃逸分析(就是变量不会外泄),我们发现在这段代码并不存在线程安全问题,这个时候就会把这个同步锁消除。

3、锁粗化

在用synchronized的时候,我们都讲究为了避免大开销,尽量同步代码块要小。那么为什么还要加粗呢? 我们继续以上面的字符串拼接为例,我们知道在这一段代码中,每一个append都需要同步一次,那么我可以把锁粗化到第一个append和最后一个append(这里不要去纠结前面的锁消除,我只是打个比方)

4、轻量级锁

5、偏向锁

关于最后这两种,我希望留给有缘的读者自己去查找,我不希望我把一件事情描述的那么详细,自己动手得到才是你自己的,最后两种并不难。

最后

笔者水平一般,不过此博客在引言中的目的已全部达到。这只是笔者在学习过程中的总结与概括,如存在不正确的,欢迎大家批评指出。

原文发布于微信公众号 - Java团长(javatuanzhang)

原文发表时间:2018-11-03

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