并发编程的锁机制：synchronize和lock

作者: 初心myp | 来源:发表于2019-04-03 09:11 被阅读0次

并发编程中，锁是经常需要用到的。我们一起了解一下Java中的锁机制：Synchronized和Lock

1.锁的种类

锁的种类很多，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、公平锁等等。我们了解一下如下几种锁：可重入锁、读写锁、可中断锁、公平锁

1.1可重入锁

如果所具备可重入性，则称为可重入锁。synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，可重入性可以理解为表明锁的分配机制：基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。例如，当一个线程执行到method1的synchronize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，才使得多线程之间的读操作不会发生冲突。ReadWriteLock就是一个读写锁，他是一个接口，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人的线程中中断它，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)会获取该锁，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，他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

2.1synchronized

synchronize是Java的关键字，当他用来修饰一个方法或者一个代码块的时候，能过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后面跟括号，括号里面是变量，一次只有一个线程进入该代码块

public int syncMethod(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。

public synchronized void syncMethod(int m){
        //
    }

2.1.3synchronized后面括号里是对象

synchronized后面括号里是一个对象，此时线程获得的是对象锁。

public void syncMethod(){
        synchronized(this){
            //
        }
    }

2.1.4synchronized后面括号里面是类

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同步，通常使用这种方式。

2.2Lock

Lock接口主要相关的类和接口如下。
Lock接口
ReadWriteLock是读写锁接口，其实现类为ReentrantReadWriteLock。ReentrantLock实现了Lock接口。

2.2.1Lock

Lock中有如下方法：

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

lock:用来获取锁，如果所被其他线程获取，处于等待状态。如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常的时候，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须早try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被释放，防止死锁发生。
lockInterruptibly：通过这个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(即锁已经别其他线程获取)，则返回false，也就是说这个方法无论如何都会立即返回。在获取不到锁的时候，不会再那一直等待。
tryLock(long time, TimeUnit unit)：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

2.2.2ReentrantLock

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();  
}

2.2.3ReadWriteLock

public interface ReadWriteLock {
    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。ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock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

2.2.4ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock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();
        }
    }

}

只需在读操作是获取读锁，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

3.1synchronized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，则很有可能造成死锁现象，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的性能就会下降几十倍。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100个线程，每个线程计数到1000000，统计两种锁同步锁花费的时间。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 Lock
    public static void testLock(int threadNum, int maxValue) {
        Thread[] t = new Thread[threadNum];
        Long begin = System.currentTimeMillis();
        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.currentTimeMillis() - begin) + "ms");
    }
    // test synchronized
    public static void testSync(int threadNum, int maxValue) {
        int[] lock = new int[0];
        Long start = System.currentTimeMillis();
        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.currentTimeMillis() - start) + "ms");
    }
}

#开启10个线程，每个线程计数到1000000的对比结果
使用lock所花费的时间为去去去去：526ms
使用synchronized所花费的时间为：424ms

#开启100个线程，每个线程计数到1000000的对比结果
使用lock所花费的时间为：3522ms
使用synchronized所花费的时间为：3432ms

#开启1000个线程，每个线程计数到1000000的对比结果
使用lock所花费的时间为：28198ms
使用synchronized所花费的时间为：38041ms

可以通过测试结果发现，如果竞争不激烈的时候，synchronized的性能还是比较好的。如果竞争激烈的情况下，就需要采用lock了。synchronized的效率降低很明显。差异还是很明显的，本次测试基于jdk1.8。

在jdk1.6之后，对synchronized加入了很多优化措施，有自适应自旋，锁清除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致jdk1.6上的synchronized的性能并不比lock差。官方也表示，他们也更支持synchronized，在未来的版本中还有优化余地，所以还提倡在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中的每一个对象都是可以作为锁的。对于同步方法，锁是是当前实例对象。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synchronized括号里配置的对象。Lock是基于语言层面实现的锁，Lock可以被中断，支持定时锁。Lock可以提高对个线程进行读操作的效率。通知对比得知，Lock的效率明显高于synchronized关键字，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。
原文参考