Lock和synchronized比較詳解

2019-11-14 09:15:21

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供稿：網友

今天看了并發實踐這本書的ReentantLock這章，感覺對ReentantLock還是不夠熟悉，有許多疑問，所有在網上找了很多文章看了一下，總體說的不夠詳細，重點和焦點問題沒有談到，但這篇文章相當不錯，說的很全面，主要的重點都說到了，所有在這里

一.synchronized的缺陷

　　synchronized是java中的一個關鍵字，也就是說是Java語言內置的特性。那么為什么會出現Lock呢？

　　在上面一篇文章中，我們了解到如果一個代碼塊被synchronized修飾了，當一個線程獲取了對應的鎖，并執行該代碼塊時，其他線程便只能一直等待，等待獲取鎖的線程釋放鎖，而這里獲取鎖的線程釋放鎖只會有兩種情況：

　　1）獲取鎖的線程執行完了該代碼塊，然后線程釋放對鎖的占有；

　　2）線程執行發生異常，此時JVM會讓線程自動釋放鎖。

　　那么如果這個獲取鎖的線程由于要等待IO或者其他原因（比如調用sleep方法）被阻塞了，但是又沒有釋放鎖，其他線程便只能干巴巴地等待，試想一下，這多么影響程序執行效率。

　　因此就需要有一種機制可以不讓等待的線程一直無期限地等待下去（比如只等待一定的時間或者能夠響應中斷），通過Lock就可以辦到。

　　再舉個例子：當有多個線程讀寫文件時，讀操作和寫操作會發生沖突現象，寫操作和寫操作會發生沖突現象，但是讀操作和讀操作不會發生沖突現象。

　　但是采用synchronized關鍵字來實現同步的話，就會導致一個問題：

　　如果多個線程都只是進行讀操作，所以當一個線程在進行讀操作時，其他線程只能等待無法進行讀操作。

　　因此就需要一種機制來使得多個線程都只是進行讀操作時，線程之間不會發生沖突，通過Lock就可以辦到。

　　另外，通過Lock可以知道線程有沒有成功獲取到鎖。這個是synchronized無法辦到的。

　　總結一下，也就是說Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下幾點：

　　1）Lock不是Java語言內置的，synchronized是Java語言的關鍵字，因此是內置特性。Lock是一個類，通過這個類可以實現同步訪問；

　　2）Lock和synchronized有一點非常大的不同，采用synchronized不需要用戶去手動釋放鎖，當synchronized方法或者synchronized代碼塊執行完之后，系統會自動讓線程釋放對鎖的占用；而Lock則必須要用戶去手動釋放鎖，如果沒有主動釋放鎖，就有可能導致出現死鎖現象。

二.java.util.concurrent.locks包下常用的類

　　下面我們就來探討一下java.util.concurrent.locks包中常用的類和接口。

　　1.Lock

　　首先要說明的就是Lock，通過查看Lock的源碼可知，Lock是一個接口：

12345678 public interface Lock { void lock(); void lockInterruptibly() throws InterruptedException; boolean tryLock(); boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; void unlock(); Condition newCondition();}

　　下面來逐個講述Lock接口中每個方法的使用，lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用來獲取鎖的。unLock()方法是用來釋放鎖的。newCondition()這個方法暫且不在此講述，會在后面的線程協作一文中講述。

　　在Lock中聲明了四個方法來獲取鎖，那么這四個方法有何區別呢？

　　首先lock()方法是平常使用得最多的一個方法，就是用來獲取鎖。如果鎖已被其他線程獲取，則進行等待。

　　由于在前面講到如果采用Lock，必須主動去釋放鎖，并且在發生異常時，不會自動釋放鎖。因此一般來說，使用Lock必須在try{}catch{}塊中進行，并且將釋放鎖的操作放在finally塊中進行，以保證鎖一定被被釋放，防止死鎖的發生。通常使用Lock來進行同步的話，是以下面這種形式去使用的：

123456789 Lock lock = ...;lock.lock();try{ //處理任務}catch(Exception ex){ }finally{ lock.unlock(); //釋放鎖}

　　tryLock()方法是有返回值的，它表示用來嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則返回true，如果獲取失敗（即鎖已被其他線程獲?。?，則返回false，也就說這個方法無論如何都會立即返回。在拿不到鎖時不會一直在那等待。

　　tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是類似的，只不過區別在于這個方法在拿不到鎖時會等待一定的時間，在時間期限之內如果還拿不到鎖，就返回false。如果如果一開始拿到鎖或者在等待期間內拿到了鎖，則返回true。

　　所以，一般情況下通過tryLock來獲取鎖時是這樣使用的：

123456789101112 Lock lock = ...;if(lock.tryLock()) { try{ //處理任務 }catch(Exception ex){ }finally{ lock.unlock(); //釋放鎖 } }else { //如果不能獲取鎖，則直接做其他事情}

　　lockInterruptibly()方法比較特殊，當通過這個方法去獲取鎖時，如果線程正在等待獲取鎖，則這個線程能夠響應中斷，即中斷線程的等待狀態。也就使說，當兩個線程同時通過lock.lockInterruptibly()想獲取某個鎖時，假若此時線程A獲取到了鎖，而線程B只有在等待，那么對線程B調用threadB.interrupt()方法能夠中斷線程B的等待過程。

　　由于lockInterruptibly()的聲明中拋出了異常，所以lock.lockInterruptibly()必須放在try塊中或者在調用lockInterruptibly()的方法外聲明拋出InterruptedException。

　　因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

123456789 public void method() throws InterruptedException { lock.lockInterruptibly(); try { //..... } finally { lock.unlock(); } }

　　注意，當一個線程獲取了鎖之后，是不會被interrupt()方法中斷的。因為本身在前面的文章中講過單獨調用interrupt()方法不能中斷正在運行過程中的線程，只能中斷阻塞過程中的線程。

　　因此當通過lockInterruptibly()方法獲取某個鎖時，如果不能獲取到，只有進行等待的情況下，是可以響應中斷的。

　　而用synchronized修飾的話，當一個線程處于等待某個鎖的狀態，是無法被中斷的，只有一直等待下去。

　　2.ReentrantLock

　　ReentrantLock，意思是“可重入鎖”，關于可重入鎖的概念在下一節講述。ReentrantLock是唯一實現了Lock接口的類，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通過一些實例看具體看一下如何使用ReentrantLock。

　　例子1，lock()的正確使用方法

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334 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(); //注意這個地方 lock.lock(); try { System.out.println(thread.getName()+"得到了鎖"); for(int i=0;i<5;i++) { arrayList.add(i); } } catch (Exception e) { // TODO: handle exception }finally { System.out.println(thread.getName()+"釋放了鎖"); lock.unlock(); } }}

　　各位朋友先想一下這段代碼的輸出結果是什么？

Thread-0得到了鎖Thread-1得到了鎖Thread-0釋放了鎖Thread-1釋放了鎖　　也許有朋友會問，怎么會輸出這個結果？第二個線程怎么會在第一個線程釋放鎖之前得到了鎖？原因在于，在insert方法中的lock變量是局部變量，每個線程執行該方法時都會保存一個副本，那么理所當然每個線程執行到lock.lock()處獲取的是不同的鎖，所以就不會發生沖突。
　　知道了原因改起來就比較容易了，只需要將lock聲明為類的屬性即可。
12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334 public class Test {    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意這個地方    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) {        lock.lock();        try {            System.out.println(thread.getName()+"得到了鎖");            for(int i=0;i<5;i++) {                arrayList.add(i);            }        } catch (Exception e) {            // TODO: handle exception        }finally {            System.out.println(thread.getName()+"釋放了鎖");            lock.unlock();        }    }}
 　　這樣就是正確地使用Lock的方法了。
　　例子2，tryLock()的使用方法
12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637 public class Test {    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意這個地方    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()+"得到了鎖");                for(int i=0;i<5;i++) {                    arrayList.add(i);                }            } catch (Exception e) {                // TODO: handle exception            }finally {                System.out.println(thread.getName()+"釋放了鎖");                lock.unlock();            }        } else {            System.out.println(thread.getName()+"獲取鎖失敗");        }    }}
 　　輸出結果：
Thread-0得到了鎖Thread-1獲取鎖失敗Thread-0釋放了鎖　　例子3，lockInterruptibly()響應中斷的使用方法：
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051 public class Test {    private Lock lock = new ReentrantLock();       public static void main(String[] args)  {        Test test = new Test();        MyThread thread1 = new MyThread(test);        MyThread thread2 = new MyThread(test);        thread1.start();        thread2.start();                 try {            Thread.sleep(2000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        thread2.interrupt();    }           public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{        lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正確中斷等待鎖的線程，必須將獲取鎖放在外面，然后將InterruptedException拋出        try {              System.out.println(thread.getName()+"得到了鎖");            long startTime = System.currentTimeMillis();            for(    ;     ;) {                if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)                    break;                //插入數據            }        }        finally {            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"執行finally");            lock.unlock();            System.out.println(thread.getName()+"釋放了鎖");        }      }} class MyThread extends Thread {    private Test test = null;    public MyThread(Test test) {        this.test = test;    }    @Override    public void run() {                 try {            test.insert(Thread.currentThread());        } catch (InterruptedException e) {            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中斷");        }    }}
　　運行之后，發現thread2能夠被正確中斷。
　　3.ReadWriteLock
　　ReadWriteLock也是一個接口，在它里面只定義了兩個方法：
123456789101112131415 public interface ReadWriteLock {    /**     * Returns the lock used for reading.     *     * @return the lock used for reading.     */    Lock readLock();     /**     * Returns the lock used for writing.     *     * @return the lock used for writing.     */    Lock writeLock();}
 　　一個用來獲取讀鎖，一個用來獲取寫鎖。也就是說將文件的讀寫操作分開，分成2個鎖來分配給線程，從而使得多個線程可以同時進行讀操作。下面的ReentrantReadWriteLock實現了ReadWriteLock接口。
　　4.ReentrantReadWriteLock
　　ReentrantReadWriteLock里面提供了很多豐富的方法，不過最主要的有兩個方法：readLock()和writeLock()用來獲取讀鎖和寫鎖。
　　下面通過幾個例子來看一下ReentrantReadWriteLock具體用法。
　　假如有多個線程要同時進行讀操作的話，先看一下synchronized達到的效果：
12345678910111213141516171819202122232425262728 public class Test {    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();         public static void main(String[] args)  {        final Test test = new Test();                 new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();                 new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();             }           public synchronized void get(Thread thread) {        long start = System.currentTimeMillis();        while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {            System.out.println(thread.getName()+"正在進行讀操作");        }        System.out.println(thread.getName()+"讀操作完畢");    }}
 　　這段程序的輸出結果會是，直到thread1執行完讀操作之后，才會打印thread2執行讀操作的信息。
Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0讀操作完畢Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1讀操作完畢　　而改成用讀寫鎖的話：
12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334 public class Test {    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();         public static void main(String[] args)  {        final Test test = new Test();                 new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();                 new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();             }           public void get(Thread thread) {        rwl.readLock().lock();        try {            long start = System.currentTimeMillis();                         while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {                System.out.println(thread.getName()+"正在進行讀操作");            }            System.out.println(thread.getName()+"讀操作完畢");        } finally {            rwl.readLock().unlock();        }    }}
 　　此時打印的結果為：
Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0正在進行讀操作Thread-1正在進行讀操作Thread-0讀操作完畢Thread-1讀操作完畢　　說明thread1和thread2在同時進行讀操作。
　　這樣就大大提升了讀操作的效率。
　　不過要注意的是，如果有一個線程已經占用了讀鎖，則此時其他線程如果要申請寫鎖，則申請寫鎖的線程會一直等待釋放讀鎖。
　　如果有一個線程已經占用了寫鎖，則此時其他線程如果申請寫鎖或者讀鎖，則申請的線程會一直等待釋放寫鎖。
　　關于ReentrantReadWriteLock類中的其他方法感興趣的朋友可以自行查閱API文檔。
　　5.Lock和synchronized的選擇
　　總結來說，Lock和synchronized有以下幾點不同：
　　1）Lock是一個接口，而synchronized是Java中的關鍵字，synchronized是內置的語言實現；
　　2）synchronized在發生異常時，會自動釋放線程占有的鎖，因此不會導致死鎖現象發生；而Lock在發生異常時，如果沒有主動通過unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現象，因此使用Lock時需要在finally塊中釋放鎖；
　　3）Lock可以讓等待鎖的線程響應中斷，而synchronized卻不行，使用synchronized時，等待的線程會一直等待下去，不能夠響應中斷；
　　4）通過Lock可以知道有沒有成功獲取鎖，而synchronized卻無法辦到。
　　5）Lock可以提高多個線程進行讀操作的效率。
　　在性能上來說，如果競爭資源不激烈，兩者的性能是差不多的，而當競爭資源非常激烈時（即有大量線程同時競爭），此時Lock的性能要遠遠優于synchronized。所以說，在具體使用時要根據適當情況選擇。
三.鎖的相關概念介紹
　　在前面介紹了Lock的基本使用，這一節來介紹一下與鎖相關的幾個概念。
　　1.可重入鎖
　　如果鎖具備可重入性，則稱作為可重入鎖。像synchronized和ReentrantLock都是可重入鎖，可重入性在我看來實際上表明了鎖的分配機制：基于線程的分配，而不是基于方法調用的分配。舉個簡單的例子，當一個線程執行到某個synchronized方法時，比如說method1，而在method1中會調用另外一個synchronized方法method2，此時線程不必重新去申請鎖，而是可以直接執行方法method2。
　　看下面這段代碼就明白了：
123456789 class MyClass {    public synchronized void method1() {        method2();    }         public synchronized void method2() {             }}
 　　上述代碼中的兩個方法method1和method2都用synchronized修飾了，假如某一時刻，線程A執行到了method1，此時線程A獲取了這個對象的鎖，而由于method2也是synchronized方法，假如synchronized不具備可重入性，此時線程A需要重新申請鎖。但是這就會造成一個問題，因為線程A已經持有了該對象的鎖，而又在申請獲取該對象的鎖，這樣就會線程A一直等待永遠不會獲取到的鎖。
　　而由于synchronized和Lock都具備可重入性，所以不會發生上述現象。
　　2.可中斷鎖
　　可中斷鎖：顧名思義，就是可以相應中斷的鎖。
　　在Java中，synchronized就不是可中斷鎖，而Lock是可中斷鎖。
　　如果某一線程A正在執行鎖中的代碼，另一線程B正在等待獲取該鎖，可能由于等待時間過長，線程B不想等待了，想先處理其他事情，我們可以讓它中斷自己或者在別的線程中中斷它，這種就是可中斷鎖。
　　在前面演示lockInterruptibly()的用法時已經體現了Lock的可中斷性。
　　3.公平鎖
　　公平鎖即盡量以請求鎖的順序來獲取鎖。比如同是有多個線程在等待一個鎖，當這個鎖被釋放時，等待時間最久的線程（最先請求的線程）會獲得該所，這種就是公平鎖。
　　非公平鎖即無法保證鎖的獲取是按照請求鎖的順序進行的。這樣就可能導致某個或者一些線程永遠獲取不到鎖。
　　在Java中，synchronized就是非公平鎖，它無法保證等待的線程獲取鎖的順序。
　　而對于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock，它默認情況下是非公平鎖，但是可以設置為公平鎖。
　　看一下這2個類的源代碼就清楚了：
　　
　　在ReentrantLock中定義了2個靜態內部類，一個是NotFairSync，一個是FairSync，分別用來實現非公平鎖和公平鎖。
　　我們可以在創建ReentrantLock對象時，通過以下方式來設置鎖的公平性：
1 ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
 　　如果參數為true表示為公平鎖，為fasle為非公平鎖。默認情況下，如果使用無參構造器，則是非公平鎖。
　　
　　另外在ReentrantLock類中定義了很多方法，比如：
　　isFair()        //判斷鎖是否是公平鎖
　　isLocked()    //判斷鎖是否被任何線程獲取了
　　isHeldByCurrentThread()   //判斷鎖是否被當前線程獲取了
　　hasQueuedThreads()   //判斷是否有線程在等待該鎖
　　在ReentrantReadWriteLock中也有類似的方法，同樣也可以設置為公平鎖和非公平鎖。不過要記住，ReentrantReadWriteLock并未實現Lock接口，它實現的是ReadWriteLock接口。
　　4.讀寫鎖
　　讀寫鎖將對一個資源（比如文件）的訪問分成了2個鎖，一個讀鎖和一個寫鎖。
　　正因為有了讀寫鎖，才使得多個線程之間的讀操作不會發生沖突。
　　ReadWriteLock就是讀寫鎖，它是一個接口，ReentrantReadWriteLock實現了這個接口。
　　可以通過readLock()獲取讀鎖，通過writeLock()獲取寫鎖。
　　上面已經演示過了讀寫鎖的使用方法，在此不再贅述。
文章來源：http://www.49028c.com/dolphin0520/p/3923167.html