7. Java并发编程的魅力之synchronized隐式锁和Lock显式锁

大家好，我是技术宅星云, 这篇博文我们来聊聊Java 并发编程中的锁。

1.1 写在前面的话

我们知道并发编程要处理的就是多个线程对共享资源的争夺问题，而锁的存在则是解决这类问题的一种有效解决方案。

一般来说，一个锁能够防止多个线程同时访问共享资源（但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，比如读写锁）

在JDK5 之前，Java 程序是靠synchronized 关键字来实现锁功能的，JDK 5 之后，并发包中新增了Lock 接口以及相关的实现类用来实现锁功能，它提供了与synchronized 关键字类似的同步功能，只是在使用时候需要显示的获取和释放锁,这一点和synchronized 关键字略有不同，synchronized 关键字 获取和释放锁都是隐式的。因此使用Lock 接口的实现类实现的锁，由于需要显示获取和释放锁，虽然使用不再像以前那么方便，但是却增加了更好的灵活性，可以自由控制锁的获取和释放。

使用synchronized关键字将会隐式地获取锁，但是它将锁的获取和释放固化了，也就是先获取再释放。当然，这种方式简化了同步的管理，可是扩展性没有显示的锁获取和释放来的好。

1.2 synchronized 隐式锁

同步代码块一般使用Java的synchronized 关键字来实现, 有两种方式对方法进行加锁操作：

• 第一，在方法签名处加synchronized 关键字
• 第二，使用synchronized (对象或类)进行同步。

值得注意的是，这里的原则是锁的范围尽可能小，锁的时间尽可能短，即能锁对象，就不要锁类，能锁代码块就不要锁方法。

synchronized 锁特性由JVM负责实现。

在JDK 的不断迭代优化中，synchronized锁的性能得到极大的提高，特别是偏向锁的实现，使得synchronized
已经不是昔日那个低性能且笨重的锁了。

那么 JVM 是如何实现synchronized 同步的？

• JVM 底层是通过监视锁来实现synchronized同步的。监视锁即monitor，是每个对象与生俱来的一个隐藏字段，使用synchronized 时，JVM 会根据synchronized 的当前使用环境，找到对应对象的monitor,再根据monitor 的状态进行加，解锁的判断。
• 例如，线程在进入同步方法或代码块时，会获得该方法或代码块所属对象的monitor, 进行加锁并判断。 如果加锁成功就成为该monitor
  的唯一持有者，monitor被释放前，不能再被其他线程获取。

JVM 是如何对synchronized 进行优化的？

JVM 对synchronized 的优化主要在于对monitor的加锁和解锁上。JDK6 后不断优化使得synchronized 提供三种锁的实现，包括偏向锁，轻量级锁，重量级锁，还提供自动的升级和降级机制。

什么是偏向锁？

JVM 就是利用CAS 在对象头上设置线程ID,表示这个对象偏向于当前线程，这就是偏向锁。

1.3 Lock 显式锁

1.3.1 Lock显式锁示例

Lock 锁的应用场景我们来举个例子，例如，针对一个场景，手把手进行锁获取和释放，先获得锁A，然后再获取锁B，当锁B获得后，释放锁A同时获取锁C，当锁C获得后，再释放B同时获取锁D，以此类推。这种场景下，synchronized关键字就不那么容易实现了，而使用Lock却容易许多。

Lock lock=new ReentrantLock();
lock.lock();
try{
   ....
}finally{
    lock.unlock();
}

• 在finally块中释放锁，目的是保证在获取到锁之后，最终能够被释放。
• 不要将获取锁的过程写在try块中，因为如果在获取锁（自定义锁的实现）时发生了异常，异常抛出的同时，也会导致锁无故释放。

1.3.2 Lock显式锁优点

Lock接口提供的而synchronized关键字所不具备的主要特性如下表所示：

特性	描述
尝试非阻塞地获取锁	当前线程尝试获取锁，如果这一时刻锁没有被其他线程获取到，则成功获取并持有锁
能被中断地获取锁	与synchronized 不同，获取到锁的线程能够响应中断，当获取到锁的线程被中断时，中断异常能够被抛出，同时锁会被释放
超时获取锁	在指定的截止时间之前获取锁，如果截止时间到了仍旧无法获取锁，则返回。

1.3.3 Lock显式锁接口

Lock是一个接口，它定义了锁获取和释放的基本操作

方法名称	描述
void lock()	获取锁，调用该方法当前线程将会获取锁，当锁获得后，从该方法返回。
void lockInterruptibly() throws InterruptedException	可中断地获取锁,和lock(）方法的不同之处在于该方法会响应中断，即在锁的获取中可以中断当前线程
boolean tryLock()	尝试非阻塞的获取锁，调用该方法后立即返回，如果能够获取则返回true, 否则返回false.
boolean tryLock(long time,TimeUnit unit)throws InterruptedException	超时的获取锁，当前线程在以下三种情况会返回: 1. 当前线程在超时时间内获得了锁2. 当前线程在超时时间内被中断3. 超时时间结束，返回false
void unlock()	释放锁
Condition newCondition()	获取等待通知组件，该组件和当前的锁绑定，当前线程只有获得了锁，才能调用该组件的wait方法，而调用后，当前线程释放锁

1.3.4 Lock显式锁接口实现类

Lock 锁的实现逻辑并未用到synchronized ，而是利用了volatile 的可见性。

Lock 显式锁的继承关系如下图所示：

ReentrantLock 对于Lock接口的实现主要依赖了Sync,而Sync 继承了AbstractQueuedSynchronizer(AQS)
,它是实现并发包中实现同步的基础工具。

在AQS 中，定义了一个volatile int state 变量作为共享资源，如果线程获取资源失败，则进入同步FIFO队列中等待。

如果成功获取资源就执行临界区代码，执行完释放资源时，会通知同步队列中的等待线程来获取资源后出队并执行。

JDK 8 提供了一个新的锁，StampedLock ，改进了读写锁 ReentrantReadWriteLock.

---

本篇完~

分享到：