lock与synchronized区别详解

Posted 2021-10-31 aspirant

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。

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。

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，开始执行该线程；
b、stop()方法，强制结束该线程执行；
c、join方法，等待该线程结束。
d、sleep()方法，线程进入等待。
e、run()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。

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（synchronized和ReentrantLock）：在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁

  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。

可中断锁（synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁）：在等待获取锁过程中可中断

公平锁（ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock）： 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（ReadWriteLock和ReentrantReadWriteLock）：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

 

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
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。

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。

4.读写锁
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。

Synchronized与Lock的区别
类别 synchronized Lock
存在层次 Java的关键字，在jvm层面上 是一个接口
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，大致就是可以尝试获得锁，线程可以不用一直等待(可以通过tryLock判断有没有锁)
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

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）
在资源竞争不是很激烈的情况下，Synchronized的性能要优于ReetrantLock，但是在资源竞争很激烈的情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能能维持常态；
ReentrantLock提供了多样化的同步，比如有时间限制的同步，可以被Interrupt的同步（synchronized的同步是不能Interrupt的）等。在资源竞争不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差点点。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。

Synchronized与Static Synchronized

每个类有一个锁，它可以用来控制对static数据成员的并发访问。
访问static synchronized方法占用的是类锁，而访问非static synchronized方法占用的是对象锁。

static synchronized控制类的所有实例（对象）的访问（相应代码块）。
synchronized相当于 this.synchronized，static synchronized相当于Something.synchronized

Lock接口
Lock是一个接口

public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。
unLock()方法是用来释放锁的。
在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？

　　首先lock()方法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。

　　由于在前面讲到如果采用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()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 time, TimeUnit unit)方法和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
}
 　　lockInterruptibly()方法比较特殊，当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。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

　　由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。

　　因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

public void method() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
//.....
}
finally {
lock.unlock();
}
}
　　注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。

　　因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。

　　而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

 

Lock类型

 

一、公平锁/非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。
对于ReentrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。
二、可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。
说的有点抽象，下面会有一个代码的示例。
对于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁，其名字是Re entrant Lock重新进入锁。
对于Synchronized而言,也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。
synchronized void setA() throws Exception{

    Thread.sleep(1000);

    setB();

}

synchronized void setB() throws Exception{

    Thread.sleep(1000);

}
三、独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。
对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。
读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读 ，写写的过程是互斥的。
独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。
对于Synchronized而言，当然是独享锁。
四、互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现。
互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock
读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock
五、乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁，而是指看待并发同步的角度。
悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定是会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁的并发操作一定会出问题。
乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作，是不会发生修改的。在更新数据的时候，会采用尝试更新，不断重新的方式更新数据。乐观的认为，不加锁的并发操作是没有事情的。
从上面的描述我们可以看出，悲观锁适合写操作非常多的场景，乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升。
悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁。
乐观锁在Java中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。
六、分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。
我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap(JDK7与JDK8中HashMap的实现)的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表;同时又是一个ReentrantLock(Segment继承了ReentrantLock)。
当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。
但是，在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。
分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。
七、偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态，并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。
偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。
轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。
重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。
八、自旋锁

在Java中，自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。
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。
 

1.各自优缺点
synchronized其实是java语言中的一个关键字，是内置的特性，这就导致它在使用上有一定的简洁性，如果使用lock，它作为接口的实现类，具备更强大的功能，但是需要自己确保锁的正确释放，各自优缺点如下：

当synchronized块结束时，会自动释放锁，lock一般需要在finally中自己释放。
当synchronized块执行异常时，也会自动释放锁，lock一般需要在finally中自己释放。
synchronized使用起来简单，不需要进行锁的额外处理，当成关键字使用，而lock一般需要创建对象，手动锁住，手动释放。
当synchronized块执行阻塞时，例如等待IO或者sleep方法时，无法中断，并释放锁，lock可以在线程休眠时，执行中断，提高性能。
当synchronized块执行时，只能使用非公平锁，无法实现公平锁，而lock可以通过new ReentrantLock(true)设置为公平锁，从而在某些场景下提高效率。
使用synchronized 无法判断当前线程是否成功获取到锁，lock可以通过trylock进行判断。
另外看资料，synchronized并发是通过阻塞其它线程实现的，线程再进行恢复时，是cpu内核级别的切换，性能较低，后面经过jdk的优化才逐步与lock效率对齐，但是并发场景非常高的情况下，还是lock性能较好。
2.java.util.concurrent.locks包常用类
2.1 Lock
其实是一个接口，定义了几个方法：

public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
lock方法，其实就是获取锁，如果被其它线程获取，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 = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
//处理任务
} catch (Exception ex) {

} finally {
lock.unlock(); //释放锁
}
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 time, TimeUnit unit)方法和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 = new ReentrantLock();
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
}
lockInterruptibly()方法比较特殊，当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。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。一般的使用形式如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lockInterruptibly();
try {
//.....
}
finally {
lock.unlock();
}
　　注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为本身在前面的文章中讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。
　　因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。
　　而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

2.2 ReentrantLock
　　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。
详见：java.util.concurrent.locks.ReentrantLock ，不再列举了。

2.3 ReadWriteLock
接口，只定义了两个方法：

Lock readLock();
Lock writeLock();
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。

2.4 ReentrantReadWriteLock
实现了ReadWriteLock接口。

下面尝试写个例子，表示ReadWriteLock和使用synchronized的区别。

使用synchronized时，读取文件：

public class SynchronizedReadFile {
public static void main(String[] args) {
final SynchronizedReadFile synchronizedReadFile = new SynchronizedReadFile();

new Thread() {
public void run() {
synchronizedReadFile.read(Thread.currentThread());
}
}.start();

new Thread() {
public void run() {
synchronizedReadFile.read(Thread.currentThread());
}
}.start();
}

public synchronized void read(Thread thread) {
long start = System.currentTimeMillis();
while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
}

}
结果是 thread0读取完成，才开始读取thread1，其实两个读取操作并不要求互斥，可以同时读取提高效率。
下面是使用reenterantReadWriteLock：

public class ReentrantReadWriteFile {

private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

public static void main(String[] args) {
final ReentrantReadWriteFile reentrantReadWriteFile = new ReentrantReadWriteFile();

new Thread() {
public void run() {
reentrantReadWriteFile.read(Thread.currentThread());
}
}.start();

new Thread() {
public void run() {
reentrantReadWriteFile.read(Thread.currentThread());
}
}.start();

}

public void read(Thread thread) {
readWriteLock.readLock().lock();
try {
long start = System.currentTimeMillis();
while (System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName() + "正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
} finally {
readWriteLock.readLock().unlock();
}
}
}
可以看到thread-0 和thread-1是交替同时读取的，极大的提高了效率。

不过要注意的是：
1.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。

2.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。

 

参考:lock与synchronized区别详解

参考:Synchronized与Lock的区别与应用场景