摘要:
我們已經(jīng)知道 synchronized是java關(guān)鍵字，是java的內(nèi)置特性，在JVM層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)臨界資源的互斥訪問(wèn)，但synchronized粒度有些大，實(shí)際處理問(wèn)題中有很多局限，比如相應(yīng)終端等。Lock 提供了比synchronized 更廣泛的鎖操作，更優(yōu)雅的方式處理線程同步問(wèn)題，本文以兩者的對(duì)比為切入點(diǎn)，最后介紹了一些鎖的概念。
一. synchronized 的局限性 與 Lock 的優(yōu)點(diǎn)
如果一個(gè)代碼塊被synchronized關(guān)鍵字修飾，當(dāng)一個(gè)線程獲取了相應(yīng)的鎖，并執(zhí)行該代碼時(shí)，其他線程只能等待知道占有該鎖的線程釋放掉。占有鎖的線程釋放鎖，一般為以下三種情況：
- 占有鎖的線程執(zhí)行完了該代碼塊，然后釋放對(duì)該鎖的占有
- 占有鎖的線程發(fā)生了異常，JVM會(huì)讓線程自動(dòng)釋放該鎖
- 占有線程進(jìn)入WAITING狀態(tài)從而釋放鎖，例如在該線程中調(diào)用wait()方法等
synchronized是java語(yǔ)言的內(nèi)置特性，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的互斥訪問(wèn)。那么還出現(xiàn)了Lock呢？試下考慮以下三種情況：
- 在使用synchronized情況下，假如占有鎖的線程由于要等待IO或者其他原因（比如調(diào)用sleep方法）被阻塞了，但是沒(méi)有釋放鎖，那么其他線程就只能一直等待，別無(wú)他法。這會(huì)極大影響程序的執(zhí)行效率。因此，就需要有一種機(jī)制可以不讓等待的線程一直無(wú)限期的等待下去，（比如只等待一定時(shí)間，解決方案：tryLock(long time, TimeUnit unit) ）或者能夠相應(yīng)中斷（解決方案：lockInterruptibly() ）這種情況可以通過(guò)lock解決。
- 當(dāng)多個(gè)線程讀寫(xiě)文件時(shí)，讀操作和寫(xiě)操作都會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象，寫(xiě)操作和寫(xiě)操作也會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象，但是讀操作和讀操作不會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象。但是如果使用了synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)同步的時(shí)候，當(dāng)多個(gè)線程都是進(jìn)行讀操作，也只有一個(gè)線程可以進(jìn)行讀操作，其他線程只能等待鎖的釋放而無(wú)法進(jìn)行其他操作，所以需要一種機(jī)制，當(dāng)多個(gè)線程都是進(jìn)行讀操作的時(shí)候，線程之間不會(huì)發(fā)生沖突，同樣的，Lock也可以同樣解決這種情況。（解決方案：ReentrantReadWriteLock ）
- 我們可以通過(guò)lock得知線程有沒(méi)有成功獲取到鎖，（解決方案：ReentrantLock）,但是 這個(gè)是 synchronized無(wú)法辦到的。
上面三種情形都可以通過(guò)Lock來(lái)解決，synchronized卻無(wú)能為力，事實(shí)上，Lock是java.util.concurrent.locks 包下接口，提供了比synchronized更靈活，更廣泛，粒度更細(xì)的鎖操作。他能以更優(yōu)雅的方式處理線程同步問(wèn)題。但要注意以下節(jié)點(diǎn)：
- synchronized是Java的關(guān)鍵字，因此是Java的內(nèi)置特性，是基于JVM層面實(shí)現(xiàn)的，其經(jīng)過(guò)編譯之后，會(huì)在同步塊的前后分別形成 monitorenter 和 monitorexit 兩個(gè)字節(jié)碼指令； 而lock是一個(gè)接口，是基于JDK層面實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)這個(gè)接口可以實(shí)現(xiàn)同步訪問(wèn)。
- 采用synchronized方式不需要用戶去手動(dòng)釋放鎖，當(dāng)synchronized方法或者synchronized代碼塊執(zhí)行完之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讓線程釋放對(duì)鎖的占用； 而Lock必須去手動(dòng)釋放鎖（發(fā)生異常，也不會(huì)自動(dòng)釋放鎖），如果沒(méi)有主動(dòng)釋放鎖，就有可能導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象。
這是很好理解的。Synchronized方式是Java原生支持的，開(kāi)發(fā)人員在使用它來(lái)解決并發(fā)問(wèn)題時(shí)，一定會(huì)方便很多，在這里，開(kāi)發(fā)人員就不需要手動(dòng)獲取鎖和釋放鎖，這些操作均有Java自身自動(dòng)完成；而Lock方式是JDK層面的提供給開(kāi)發(fā)人員的接口，因此開(kāi)發(fā)人員在使用它來(lái)解決并發(fā)問(wèn)題時(shí)，需要手動(dòng)獲取鎖和釋放鎖。
二. java.util.concurrent.locks包下常用的類與接口
1、Lock
通過(guò)Lock源碼可知，Lock 是一個(gè)接口：
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
下面來(lái)逐個(gè)分析接口：
1).lock()
在Lock中聲明了四個(gè)方法來(lái)獲取鎖，那么這四個(gè)方法有何區(qū)別呢？ 首先，lock()方法是使用最多的，來(lái)獲取鎖。如果鎖被其他線程獲取，則進(jìn)行等待。在前面已經(jīng)講到，如果采用Lock,必須主動(dòng)去釋放鎖，并且在發(fā)生異常時(shí)，不會(huì)自動(dòng)釋放鎖，一般來(lái)說(shuō)，使用 lock 必須在 try catch 塊中，并將釋放鎖的操作放在 finally中進(jìn)行，以保證鎖一定被釋放，防止死鎖的發(fā)生，形式如下：
Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
//處理任務(wù)
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //釋放鎖
}
2). tryLock() & tryLock(long time, TimeUnit unit)
tryLock()方法是有返回值的，它表示用來(lái)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取），則返回false，也就是說(shuō)，這個(gè)方法無(wú)論如何都會(huì)立即返回（在拿不到鎖時(shí)不會(huì)一直在那等待）。
tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是類似的，只不過(guò)區(qū)別在于這個(gè)方法在拿不到鎖時(shí)會(huì)等待一定的時(shí)間，在時(shí)間期限之內(nèi)如果還拿不到鎖，就返回false，同時(shí)可以響應(yīng)中斷。如果一開(kāi)始拿到鎖或者在等待期間內(nèi)拿到了鎖，則返回true。
Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
try{
//處理任務(wù)
}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
}
3). lockInterruptibly()
lockInterruptibly()方法比較特殊，當(dāng)通過(guò)這個(gè)方法去獲取鎖時(shí)，如果線程 正在等待獲取鎖，則這個(gè)線程能夠響應(yīng)中斷，即中斷線程的等待狀態(tài)。例如，當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)通過(guò)lock.lockInterruptibly()想獲取某個(gè)鎖時(shí)，假若此時(shí)線程A獲取到了鎖，而線程B只有在等待，那么對(duì)線程B調(diào)用threadB.interrupt()方法能夠中斷線程B的等待過(guò)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(diào)用lockInterruptibly()的方法外聲明拋出 InterruptedException，但推薦使用后者，原因稍后闡述。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，當(dāng)一個(gè)線程獲取了鎖之后，是不會(huì)被interrupt()方法中斷的。因?yàn)閕nterrupt()方法只能中斷阻塞過(guò)程中的線程而不能中斷正在運(yùn)行過(guò)程中的線程。因此，當(dāng)通過(guò)lockInterruptibly()方法獲取某個(gè)鎖時(shí)，如果不能獲取到，那么只有進(jìn)行等待的情況下，才可以響應(yīng)中斷的。與 synchronized 相比，當(dāng)一個(gè)線程處于等待某個(gè)鎖的狀態(tài)，是無(wú)法被中斷的，只有一直等待下去。
最佳實(shí)踐 (Best Practice)：在使用Lock時(shí)，無(wú)論以哪種方式獲取鎖，習(xí)慣上最好一律將獲取鎖的代碼放到 try…catch… 之外，因?yàn)槲覀円话銓㈡i的unlock操作放到finally子句中，如果線程沒(méi)有獲取到鎖，在執(zhí)行finally子句時(shí)，就會(huì)執(zhí)行unlock操作，從而拋出 IllegalMonitorStateException，因?yàn)樵摼€程并未獲得到鎖卻執(zhí)行了解鎖操作。
2、ReentrantLock
ReentrantLock，即可重入鎖。ReentrantLock是唯一實(shí)現(xiàn)了Lock接口的類，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通過(guò)一些實(shí)例學(xué)習(xí)如何使用 ReentrantLock。
注意：lock 被聲明為 成員變量或者局部變量，有本質(zhì)區(qū)別
3、ReadWriteLock
? ReadWriteLock也是一個(gè)接口，在它里面只定義了兩個(gè)方法：
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(gè)用來(lái)獲取讀鎖，一個(gè)用來(lái)獲取寫(xiě)鎖。也就是說(shuō)，將對(duì)臨界資源的讀寫(xiě)操作分成兩個(gè)鎖來(lái)分配給線程，從而使得多個(gè)線程可以同時(shí)進(jìn)行讀操作。下面的 ReentrantReadWriteLock 實(shí)現(xiàn)了 ReadWriteLock 接口。
4、ReentrantReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock 實(shí)現(xiàn)了 ReadWriteLock 接口( 注意，ReentrantReadWriteLock 并沒(méi)有實(shí)現(xiàn) Lock 接口 )，其包含兩個(gè)很重要的方法：readLock() 和 writeLock() 分別用來(lái)獲取讀鎖和寫(xiě)鎖，并且這兩個(gè)鎖實(shí)現(xiàn)了Lock接口。
5、Lock 和 Synchronized 的選擇
(1). Lock是一個(gè)接口，是JDK層面的實(shí)現(xiàn)；而synchronized是Java中的關(guān)鍵字，是Java的內(nèi)置特性，是JVM層面的實(shí)現(xiàn)；
(2). synchronized 在發(fā)生異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)釋放線程占有的鎖，因此不會(huì)導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象發(fā)生；而Lock在發(fā)生異常時(shí)，如果沒(méi)有主動(dòng)通過(guò)unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現(xiàn)象，因此使用Lock時(shí)需要在finally塊中釋放鎖；
(3). Lock 可以讓等待鎖的線程響應(yīng)中斷，而使用synchronized時(shí)，等待的線程會(huì)一直等待下去，不能夠響應(yīng)中斷；
(4). 通過(guò)Lock可以知道有沒(méi)有成功獲取鎖，而synchronized卻無(wú)法辦到；
(5). Lock可以提高多個(gè)線程進(jìn)行讀操作的效率。
在性能上來(lái)說(shuō)，如果競(jìng)爭(zhēng)資源不激烈，兩者的性能是差不多的。而當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)資源非常激烈時(shí)（即有大量線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)），此時(shí)Lock的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于synchronized。所以說(shuō)，在具體使用時(shí)要根據(jù)適當(dāng)情況選擇。
三. 鎖的相關(guān)概念介紹
- 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，可重入性實(shí)際上表明了 鎖的分配粒度：基于線程的分配，而不是基于方法調(diào)用的分配。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，
class MyClass {
public synchronized void method1() {
method2();
}
public synchronized void method2() {
}
}
上述代碼中的兩個(gè)方法method1和method2都用synchronized修飾了。假如某一時(shí)刻，線程A執(zhí)行到了method1，此時(shí)線程A獲取了這個(gè)對(duì)象的鎖，而由于method2也是synchronized方法，假如synchronized不具備可重入性，此時(shí)線程A需要重新申請(qǐng)鎖。但是，這就會(huì)造成死鎖，因?yàn)榫€程A已經(jīng)持有了該對(duì)象的鎖，而又在申請(qǐng)獲取該對(duì)象的鎖，這樣就會(huì)線程A一直等待永遠(yuǎn)不會(huì)獲取到的鎖。而由于synchronized和Lock都具備可重入性，所以不會(huì)發(fā)生上述現(xiàn)象。
- 可中斷鎖
顧名思義，可中斷鎖就是可以響應(yīng)中斷的鎖，在java 中，synchronized 就是不可中斷鎖，而Lock 就是可以中斷鎖。
如果一個(gè)線程正在執(zhí)行鎖中的代碼，另一線程正在等待獲取該鎖，可能由于等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)線程B不想等待了，想先處理其他事情，我們可以讓他中斷，或者在別的線程中斷它，在前面演示tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()的用法時(shí)已經(jīng)體現(xiàn)了Lock的可中斷性。
- 公平鎖
公平鎖即 盡量 以請(qǐng)求鎖的順序來(lái)獲取鎖。比如，同是有多個(gè)線程在等待一個(gè)鎖，當(dāng)這個(gè)鎖被釋放時(shí)，等待時(shí)間最久的線程（最先請(qǐng)求的線程）會(huì)獲得該所，這種就是公平鎖。而非公平鎖則無(wú)法保證鎖的獲取是按照請(qǐng)求鎖的順序進(jìn)行的，這樣就可能導(dǎo)致某個(gè)或者一些線程永遠(yuǎn)獲取不到鎖。
在Java中，synchronized就是非公平鎖（搶占鎖），它無(wú)法保證等待的線程獲取鎖的順序。而對(duì)于ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock，它默認(rèn)情況下是非公平鎖，但是可以設(shè)置為 公平鎖（協(xié)同式線程調(diào)度）。
- 讀寫(xiě)鎖
讀寫(xiě)鎖將對(duì)臨界資源的訪問(wèn)分成了兩個(gè)鎖，一個(gè)讀鎖和一個(gè)寫(xiě)鎖。正因?yàn)橛辛俗x寫(xiě)鎖，才使得多個(gè)線程之間的讀操作不會(huì)發(fā)生沖突。ReadWriteLock就是讀寫(xiě)鎖，它是一個(gè)接口，ReentrantReadWriteLock實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口?？梢酝ㄟ^(guò)readLock()獲取讀鎖，通過(guò)writeLock()獲取寫(xiě)鎖。
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