专栏首页BAT的乌托邦【小家java】JUC并发编程之Synchronized和Lock、ReadWriteLock、ReentantLock的使用以及原理剖析

【小家java】JUC并发编程之Synchronized和Lock、ReadWriteLock、ReentantLock的使用以及原理剖析


我们很多人在学习多线程开发的时候,一遇到并发问题就是synchronized,相对于当时的我们来说synchronized是这么的神奇而又强大,那个时候我们赋予它一个名字“同步”,也成为了我们解决多线程情况的百试不爽的良药。 但是我们知道synchronized是一把重量级的锁,对效率是不友好的,所以在JDK1.5版本之后,推出了轻量级的锁Lock。但是呢,随着Javs SE 1.6对synchronized进行的各种优化后,synchronized并不会显得那么重了。 因此本文就从这个角度,来分析分析synchronized的原理和使用,也会介绍Lock的使用的。

Synchronized实现原理

Java中每一个对象都可以作为锁,这是synchronized实现同步的基础:

  • 普通同步方法,锁是当前实例对象
  • 静态同步方法,锁是当前类的class对象
  • 同步方法块,锁是括号里面的对象
public class SynchronizedTest {
    public synchronized void test1(){
 
    }
 
    public void test2(){
        synchronized (this){
 
        }
    }
}

我们利用javap工具查看生成的class文件信息来分析Synchronize的实现:

从上面可以看出,同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现的,同步方法(在这看不出来需要看JVM底层实现)依靠的是方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。

  • 同步代码块:monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置,monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置,JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联,当且一个monitor被持有之后,他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor所有权,即尝试获取对象的锁;
  • 同步方法:synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令,在VM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法,而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1,表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象

JVM规范规定JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现,而方法同步是使用另外一种方式实现的,细节在JVM规范里并没有详细说明,但是方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,而monitorexit是插入到方法结束处和异常处, JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联,当且一个monitor 被持有后,它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时,将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权,即尝试获得对象的锁(CAS Compare and Swap)。


点到即止,咱们不能继续往下研究了。否则太深了,设计到什么自适应锁、自旋锁的东西了。这个有空再专门介绍锁的类别、java对象头之类的。

Synchronized的缺陷

如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待,等待获取锁的线程释放锁,而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况:   1)获取锁的线程执行完了该代码块,然后线程释放对锁的占有;   2)线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁 那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,其他线程便只能干巴巴地等待,试想一下,这多么影响程序执行效率。因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间或者能够响应中断),通过Lock就可以办到。


Lock是耕细粒度的锁,可以实现更精细的控制。 Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点:   1)Lock不是Java语言内置的,synchronized是Java语言的关键字,因此是内置特性。Lock是一个类,通过这个类可以实现同步访问;   2)Lock和synchronized有一点非常大的不同,采用synchronized不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。

Lock的基本使用

Lock比传统线程模型中的synchronized方式更加面向对象,与生活中的锁类似,锁本身也应该是一个对象。两个线程执行的代码片段要实现同步互斥的效果,它们必须用同一个Lock对象。

它是一个接口,接下来就分析下他的几个方法: 在Lock中声明了四个方法来获取锁:lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly(),下面介绍下区别:

  • lock():是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。因此一般来说,使用Lock必须在try{}catch{}块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话,是以下面这种形式去使用的:
Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}
  • tryLock():有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true,如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则返回false,也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。
  • tryLock(long time, TimeUnit unit):和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。所以,一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的:
Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }catch(Exception ex){
         
     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     } 
}else {
    //如果不能获取锁,则直接做其他事情
}

ReentrantLock的使用

ReentrantLock,意思是“可重入锁”。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法。

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    public static void main(String[] args)  {
        final Test test = new Test();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) {
        Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
            for(int i=0;i<5;i++) {
                arrayList.add(i);
            }
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }finally {
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }
}
输出:
Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁

奇怪吗?呵呵,怎么会输出这个结果呢?第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁?原因在于,在insert方法中的lock变量是局部变量,每个线程执行该方法时都会保存一个副本,那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁,所以就不会发生冲突。所以就不存在锁竞争问题,所以使用起来需要注意

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
    public static void main(String[] args)  {
        final Test test = new Test();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) {
        if(lock.tryLock()) {
            try {
                System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
                for(int i=0;i<5;i++) {
                    arrayList.add(i);
                }
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }finally {
                System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
        }
    }
}
输出:
Thread-0得到了锁
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放了锁

这个就ok了,锁定义成类变量,就是共享问题了。

ReadWriteLock的使用(它是个接口) ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法,不过最主要的有两个方法:readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。

这里不太想举例了,因为毕竟用得比较少。读写读写分离锁

总结来说,Lock和synchronized有以下几点不同:

1)Lock是一个接口,而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现; 2)synchronized在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而Lock在发生异常时,如果没有主动通过unLock()去释放锁,则很可能造成死锁现象,因此使用Lock时需要在finally块中释放锁; 3)Lock可以让等待锁的线程响应中断,而synchronized却不行,使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断; 4)通过Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized却无法办到。 5)Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。在性能上来说,如果竞争资源不激烈,两者的性能是差不多的,而当竞争资源非常激烈时(即有大量线程同时竞争),此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说,在具体使用时要根据适当情况选择。

附录:锁的相关概念介绍

1.可重入锁

如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到某个synchronized方法时,比如说method1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新去申请锁,而是可以直接执行方法method2。

class MyClass {
    public synchronized void method1() {
        method2();
    }
     
    public synchronized void method2() {
         
    }
}

上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。 而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。

2.可中断锁

顾名思义,就是可以相应中断的锁。在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。 如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,这种就是可中断锁。 在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。

3.公平锁

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该所,这种就是公平锁。 非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。

在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序。而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。

咱们看看ReentrantLock的源码,为啥可以设置为公平锁呢?

static final class NonfairSync extends Sync {}
static final class FairSync extends Sync {}

在ReentrantLock中定义了2个静态内部类,一个是NotFairSync,一个是FairSync,分别用来实现非公平锁和公平锁。我们可以在创建ReentrantLock对象时,通过以下方式来设置锁的公平性:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //如果参数为true表示为公平锁,为fasle为非公平锁。默认情况下,如果使用无参构造器,则是非公平锁。

另外在ReentrantLock类中定义了很多方法,比如: isFair() //判断锁是否是公平锁 isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了 isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了 hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁

读写锁 ReadWriteLock

public interface ReadWriteLock {
    Lock readLock();
    Lock writeLock();
}

读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成了2个锁,一个读锁和一个写锁。 正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。 ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。

ReentrantReadWriteLock支持以下功能:

ReentrantReadWriteLock 也是基于AQS实现的,它的自定义同步器(继承AQS)需要在同步状态(一个整型变量state)上维护多个读线程和一个写线程的状态,使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。

  1. 支持公平和非公平的获取锁的方式;
  2. 支持可重入。读线程在获取了读锁后还可以获取读锁;写线程在获取了写锁之后既可以再次获取写锁又可以获取读锁;
  3. 读取锁和写入锁都支持锁获取期间的中断;
  4. Condition支持。仅写入锁提供了一个 Conditon 实现;读取锁不支持 Conditon ,readLock().newCondition() 会抛出 UnsupportedOperationException。

如果你的代码只读数据,可以很多人同时读,但不能同时写,那就上读锁;如果你的代码修改数据,只能有一个人在写,且不能同时读取,那就上写锁。总之,读的时候上读锁,写的时候上写锁!

读写锁的机制:

  • “读-读” 不互斥
  • “读-写” 互斥
  • “写-写” 互斥

线程进入读锁的前提条件: 1. 没有其他线程的写锁 2. 没有写请求,或者有写请求但调用线程和持有锁的线程是同一个线程 进入写锁的前提条件:1. 没有其他线程的读锁 2. 没有其他线程的写锁

读写锁使用场景

利用读读的不互斥性,可以大大的提高读的性能:

/**
 * 读读(非阻塞)、读写(阻塞)、写写(阻塞)
 * <p>
 * 以下demo,不用读写锁,要花费20秒。 使用读写锁,远小于花费20秒(2s左右)
 *
 * @author fangshixiang
 * @description //
 * @date 2018/12/16 20:30
 */
public class ReadWriteLockDemo {

    private int value;

    //读方法 读取value的时候上读锁
    public int handleRead(Lock lock) {
        try {
            lock.lock();//模拟读操作
            Thread.sleep(1000);//模拟耗时
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取到的值为:" + this.value);
        return this.value;
    }

    //写方法 写如新的value值
    public void handleWrite(Lock lock, int newValue) {
        try {
            lock.lock();
            Thread.sleep(1000); //模拟耗时
            this.value = newValue;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    //=========================main方法模拟=========================

    //读写锁
    private static ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static Lock readLock = readWriteLock.readLock();//获取读锁
    private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();//获取写锁

    public static void main(String[] args) {
        final ReadWriteLockDemo readWriteLockDemo = new ReadWriteLockDemo();

        //读线程
        Runnable readRunable = () -> readWriteLockDemo.handleRead(readLock);

        //写线程
        Runnable writeRunable = () -> readWriteLockDemo.handleWrite(writeLock, new Random().nextInt(1000));

        //18个线程同事读
        for (int i = 0; i < 18; i++) {
            new Thread(readRunable).start();
        }

        //2个线程去写
        for (int i = 18; i < 20; i++) {
            new Thread(writeRunable).start();
        }
    }
}

运行:打印的日志几乎是秒输出,都在sleep的1s同时完成。而这个时候,如果我把lock换成普通的锁:

private static Lock lock = new ReentrantLock();

//把对应的锁传进去
readWriteLockDemo.handleRead(lock);
readWriteLockDemo.handleWrite(lock, new Random().nextInt(1000))

这样再运行:可以明显的看到,日志是隔1s输出一条,然后总体耗时大大的延长了。因此通过此例子我们看出,读写锁的正确使用,能够大大的提高我们的读、写效率。

面试题

最后此处我附上几个面试题,答案都是我自己书写的,若有异议,请留言指出:

答案:100 100 100(不存在线程安全问题,因为每个worker都是new出来,独享一份)

答案:100 101 102(不存在线程安全问题,因为调用的run方法相当于单线程的顺序执行了)

答案:很多种可能性(显然就存在线程安全问题了,因为只有一个worker,而3个线程共享count变量) Tips:若你本地没有发现问题,可借助sleep把问题放大

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