并发编程的锁机制：synchronized和lock

Posted 2020-12-31 jasonzh

1. 锁的种类

　　锁的种类挺多，包括：自旋锁、自旋锁的其他种类、阻塞锁、可重入锁、读写锁、互斥锁、悲观锁、乐观锁、公平锁、可重入锁等等，其余就不列出了。我们这边重点看如下几种：可重入锁、读写锁、可中断锁、公平锁。

1.1 可重入锁

　　如果锁具备可重入性，则称作为可重入锁。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。举比如说，当一个线程执行到method1 的synchronized方法时，而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2，此时该线程不必重新去申请锁，而是可以直接执行方法method2。

1.2 读写锁

　　读写锁将对一个资源的访问分成了2个锁，如文件，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。

1.3 可中断锁

　　可中断锁，即可以中断的锁。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。

　　Lock接口中的lockInterruptibly()方法就体现了Lock的可中断性。

1.4 公平锁

　　公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。同时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）会获得该锁，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。

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

2. synchronized和lock的用法

2.1 synchronized

　　synchronized是Java的关键字，当它用来修饰一个方法或者一个代码块的时候，能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码。简单总结如下四种用法。

2.1.1 代码块

　　对某一代码块使用，synchronized后跟括号，括号里是变量，一次只有一个线程进入该代码块。

public int synMethod(int m){
    synchronized(m) {
    //...
    }
}

2.1.2 方法声明时

　　方法声明时使用，放在范围操作符之后,返回类型声明之前。即一次只能有一个线程进入该方法，其他线程要想在此时调用该方法，只能排队等候。2.1.2 方法声明时

public synchronized void synMethod() {
   //...
}

2.1.3 synchronized后面括号里是对象

　　synchronized后面括号里是一对象，此时线程获得的是对象锁。

public void test() {
    synchronized (this) {
        //...
    }
}    

2.1.4 synchronized后面括号里是类

　　synchronized后面括号里是类，如果线程进入，则线程在该类中所有操作不能进行，包括静态变量和静态方法，对于含有静态方法和静态变量的代码块的同步，通常使用这种方式。

2.2 Lock

Lock接口主要相关的类和接口如下。

　　ReadWriteLock是读写锁接口，其实现类为ReetrantReadWriteLock。ReetrantLock实现了Lock接口。

2.2.1 Lock

Lock中有如下方法：

public interface Lock {
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;  
    boolean tryLock();  
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;  
    void unlock();  
    Condition newCondition();
}

• lock：用来获取锁，如果锁被其他线程获取，处于等待状态。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。

• lockInterruptibly：通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。

• tryLock：tryLock方法是有返回值的，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，TimeUnit）：与tryLock类似，只不过是有等待时间，在等待时间内获取到锁返回true，超时返回false。

• unlock：释放锁，一定要在finally块中释放

2.2.2 ReetrantLock

　　实现了Lock接口，可重入锁，内部定义了公平锁与非公平锁。默认为非公平锁：

public ReentrantLock() {  
    sync = new NonfairSync();  
}

　　可以手动设置为公平锁：

public ReentrantLock(boolean fair) {  
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();  
}

2.2.3 ReadWriteLock

public interface ReadWriteLock {  
    Lock readLock();       //获取读锁  
    Lock writeLock();      //获取写锁  
}

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。ReentrantReadWirteLock实现了ReadWirteLock接口，并未实现Lock接口。

不过要注意的是：

如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。

如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。

2.2.4 ReetrantReadWriteLock

ReetrantReadWriteLock同样支持公平性选择，支持重进入，锁降级。

public class RWLock {
    static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
    static ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock r = rwLock.readLock();
    static Lock w = rwLock.writeLock();
    //读
    public static final Object get(String key){
        r.lock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            r.unlock();
        }
    }
    //写
    public static final Object put(String key, Object value){
        w.lock();
        try {
            return map.put(key, value);
        } finally {
            w.unlock();
        }
    }
}    

　　只需在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁。当写锁被获取时，后续的读写操作都会被阻塞，写锁释放后，所有操作继续执行。

3. 两种锁的比较

3.1 synchronized和lock的区别

• Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；
• 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；
• 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；
• 通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
• Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。（可以通过readwritelock实现读写分离）
• 性能上来说，在资源竞争不激烈的情形下，Lock性能稍微比synchronized差点（编译程序通常会尽可能的进行优化synchronized）。但是当同步非常激烈的时候，synchronized的性能一下子能下降好几十倍。而ReentrantLock确还能维持常态。

3.2 性能比较

　　下面对synchronized与Lock进行性能测试，分别开启10个线程，每个线程计数到1000000，统计两种锁同步所花费的时间。网上也能找到这样的例子。

public class TestAtomicIntegerLock {
    private static int synValue;
    public static void main(String[] args) {
        int threadNum = 10;
        int maxValue = 1000000;
        testSync(threadNum, maxValue);
        testLocck(threadNum, maxValue);
    }
    //test synchronized
    public static void testSync(int threadNum, int maxValue) {
        Thread[] t = new Thread[threadNum];
        Long begin = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
            Lock locks = new ReentrantLock();
            synValue = 0;
            t[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < maxValue; j++) {
                    locks.lock();
                    try {
                        synValue++;
                    } finally {
                        locks.unlock();
                    }
                }
            });
        }
        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
        t[i].start();
    }
    //main线程等待前面开启的所有线程结束
    for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
        try {
            t[i].join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    System.out.println("使用lock所花费的时间为：" + (System.nanoTime() - begin));
    }
    // test Lock
    public static void testLocck(int threadNum, int maxValue) {
        int[] lock = new int[0];
        Long begin = System.nanoTime();
        Thread[] t = new Thread[threadNum];
        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
            synValue = 0;
            t[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < maxValue; j++) {
                    synchronized(lock) {
                    ++synValue;
                    }
                }
            });
        }
        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
        t[i].start();
    }
    //main线程等待前面开启的所有线程结束
    for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
        try {
            t[i].join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    } 
    System.out.println("使用synchronized所花费的时间为："+(System.nanoTime()-begin));
    }
}

　　测试结果的差异还是比较明显的，Lock的性能明显高于synchronized。本次测试基于JDK1.8。

使用lock所花费的时间为：436667997

使用synchronized所花费的时间为：616882878

　　JDK1.5中，synchronized是性能低效的。因为这是一个重量级操作，它对性能最大的影响是阻塞的是实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用Java提供的Lock对象，性能更高一些。多线程环境下，synchronized的吞吐量下降的非常严重，而ReentrankLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。　　

　　到了JDK1.6，发生了变化，对synchronize加入了很多优化措施，有自适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他们也更支持synchronize，在未来的版本中还有优化余地，所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下，优先考虑使用synchronized来进行同步。

4. 总结

　　本文主要对并发编程中的锁机制synchronized和lock，进行详解。synchronized是基于JVM实现的，内置锁，Java中的每一个对象都可以作为锁。对于同步方法，锁是当前实例对象。对于静态同步方法，锁是当前对象的Class对象。对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。Lock是基于在语言层面实现的锁，Lock锁可以被中断，支持定时锁。Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。通过对比得知，Lock的效率是明显高于synchronized关键字的，一般对于数据结构设计或者框架的设计都倾向于使用Lock而非Synchronized。