一文带你搞懂Java中Synchronized和Lock的原理与使用

2023-05-16 17:05:32 原理 带你 一文

1、Synchronized与Lock对比

  • 实现方式：Synchronized是Java语言内置的关键字，而Lock是一个Java接口。
  • 锁的获取和释放：Synchronized是隐式获取和释放锁，由Java虚拟机自动完成；而Lock需要显式地调用lock()方法获取锁，并且必须在finally块中调用unlock()方法来释放锁。
  • 可中断性：在获取锁的过程中，如果线程被中断，synchronized会抛出InterruptedException异常并且自动释放锁，而Lock则需要手动捕获InterruptedException异常并处理，同时也支持非阻塞、可轮询以及定时获取锁的方式。
  • 公平性：Synchronized不保证线程获取锁的公平性，而Lock可以通过构造函数指定公平或非公平锁。
  • 锁状态：Synchronized无法判断锁的状态，而Lock可以通过tryLock()、isLocked()来判断锁的状态(线程是否可能取到锁、锁是否被占用等)。
  • 粒度：Synchronized锁的粒度较粗，只能锁住整个方法或代码块，而Lock可以细粒度地控制锁的范围，比如锁某个对象的部分属性。
  • 场景：如果在简单的并发场景下，推荐使用Synchronized；而在需要更高级的锁控制时，可以考虑使用Lock。

一般情况建议使用Synchronized，在jdk1.5之前Lock优于Synchronized，但在JDK1.5之后对Synchronized进行了优化，后面在性能方面基本与Lock一样且使用简单(有作者说"Synchronized是亲生的，JDK还是会一直优化他不会让Lock优于它")。

2、Synchronized与Lock原理

2.1 Synchronized原理

Synchronized是Java语言中最常用的同步机制之一，它可以确保多个线程访问共享资源时的互斥性和可见性。Synchronized关键字的原理如下：

  • Synchronized使用了内置锁（也称为监视器锁）来实现同步。每个Java对象都有一个内置锁，当该对象作为锁被获取时，其他试图获取该锁的线程会被阻塞，直到该锁被释放。
  • Synchronized的锁是与对象相关联的。当一个线程进入Synchronized代码块时，它必须先获取该对象的锁才能执行代码，否则就会被阻塞。当该线程退出Synchronized代码块时，它会自动释放该对象的锁。
  • Synchronized具有可重入性。如果当前线程已经获得了某个对象的锁，那么它可以继续访问该对象的其他Synchronized代码块，而不会被自己持有的锁所阻塞。
  • Synchronized还具有volatile变量的读写语义。在使用Synchronized关键字时，内存屏障会确保本地线程中修改过的变量值被刷新回主内存，从而保证了多个线程之间对变量修改的可见性。

Synchronized通过使用内置锁、与对象关联的锁、可重入性以及内存屏障等机制来实现线程的同步和锁的管理，以保证对共享资源的访问具有互斥性和可见性。

2.2 Lock原理

Lock是Java语言中的一种高级同步机制，它提供了比Synchronized更加灵活和可扩展的同步特性。Lock机制的原理如下：

  • Lock使用了对象的锁来实现同步。每个Lock对象都有一个锁，当该锁被获取时，其他试图获取该锁的线程会被阻塞，直到该锁被释放。
  • Lock的锁是与对象无关的。相比于Synchronized关键字，Lock提供了更加灵活的方式来控制锁的获取和释放。例如，它支持可中断的获取锁操作、超时获取锁操作等等。因此，在需要手动控制锁的获取和释放时，Lock是一个很好的选择。
  • Lock还具有可重入性。如果当前线程已经获得了某个Lock对象的锁，那么它可以继续访问该对象的其他Lock代码块，而不会被自己持有的锁所阻塞。
  • Lock使用了条件变量来实现线程的等待和通知。Condition接口提供了await()、signal()和signalAll()等方法，用于线程之间的等待和通知，从而避免了Object类中wait()和notify()方法可能出现的信号丢失问题。

Lock通过使用对象的锁、与对象无关的锁、可重入性以及条件变量等机制来实现线程的同步和锁的管理，以保证对共享资源的访问具有互斥性和可见性。与Synchronized关键字相比，Lock提供了更加灵活和可扩展的同步特性，但也需要更多的代码来控制锁的获取和释放。

3、Synchronized与Lock使用

下面分别给出Synchronized和Lock的使用示例。

Synchronized

    public class Counter {
        private int count;

        public synchronized void increment() {
            count++;
        }
    }

上述代码定义了一个计数器类Counter，方法都使用了synchronized关键字来实现线程同步。

Lock

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Counter {
    private int count;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

上述代码也是定义了一个计数器类Counter，但是使用的是Lock接口来实现线程同步。在这种情况下，需要先创建一个ReentrantLock对象，然后在需要同步的代码块中调用lock()方法获取锁，在finally块中调用unlock()方法释放锁。

总的来说，Synchronized更加简单易用，适合用于一些简单的并发场景；而Lock提供了更多的灵活性和可扩展性，适合用于一些复杂的并发场景。

4、相关问题

1）Synchronized和Lock有什么区别？

  • 实现方式：Synchronized是Java内置的关键字，而Lock是一个接口。
  • 锁的获取和释放：Synchronized的获取和释放锁由JVM自动完成，而Lock需要手动调用lock()方法获取锁并在finally块中调用unlock()方法释放锁。
  • 可中断性：如果线程在获取锁的过程中被中断，Synchronized会抛出InterruptedException异常并自动释放锁，而Lock需要手动处理这种情况。
  • 公平性：Synchronized不保证公平性，而Lock可以通过构造函数指定公平或非公平锁。
  • 粒度：Synchronized锁的粒度比较粗，只能锁住整个方法或代码块，而Lock可以细粒度地控制锁的范围。

2）Synchronized的实现原理是什么？

Synchronized是基于Java对象头的监视器（Monitor）实现的。每个Java对象都有一个监视器，同步块的进入和退出需要获取和释放对象的监视器。当线程尝试进入一个被锁住的同步块时，它会先尝试获取对象的监视器锁，如果锁已经被占用，线程就会进入阻塞状态，直到锁被释放。

3）Lock的实现原理是什么？

Lock的实现是基于Java的AbstractQueuedSynchronizer（AQS）框架的。Lock接口定义了多个获取和释放锁的方法，其中比较重要的是lock()和unlock()方法。当一个线程调用lock()方法获取锁时，如果锁未被占用，则该线程会占用锁并继续执行；否则，该线程会进入阻塞状态，直到锁被释放。当一个线程调用unlock()方法释放锁时，会通知等待队列中的其他线程继续尝试获取锁。

4）什么是可重入锁？

可重入锁指的是同一个线程在持有锁的情况下，能够再次获取该锁，而不会导致死锁。Synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。可重入锁通过记录持有锁的线程和重入次数，来避免死锁的发生。

5）ReentrantLock为什么比Synchronized更灵活？

ReentrantLock比Synchronized更灵活主要因为它提供了以下功能：

  • 可以指定公平锁或非公平锁。
  • 支持获取锁的超时时间。
  • 支持可中断的获取锁操作。
  • 可以通过tryLock()方法尝试获取锁，如果锁已经被占用，则返回false。
  • 支持多个Condition对象，可以让线程在不同的条件下等待和唤醒。

6）什么是锁自旋？

锁自旋是一种优化锁竞争的技术，它用于减少线程在获取锁时的等待时间。当一个线程请求获取某个对象的锁时，如果此时锁已经被其他线程占用，那么该线程会进入阻塞状态等待锁的释放。而使用锁自旋技术，线程在发现锁被其他线程占用时，并不会立即进入阻塞状态，而是执行一段循环代码（称为自旋），等待锁的持有者释放锁。

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