synchronize與lock

1. synchronize的作用

　　synchronize是java最原始的同步關鍵字,通過對方法或者代碼塊進行加鎖實現對臨界區域的保護.線程每次進去同步方法或者代碼塊都需要申請鎖,如果鎖被占用則會等待鎖的釋放,值得注意的是,等待鎖的線程不會響應中斷.synchronize的鎖分為對象所和類鎖,當synchronize修飾靜態方法或者synchronize(Object.class)這樣寫時是類鎖,當synchronize修飾普通方法或者synchronize(this)這樣寫時是對象鎖(this可以替換成其他對象的引用).synchronize是官方推薦使用的同步工具,synchronize主要是在JVM層面實現的同步,官方已經對synchronize的性能進行了多次優化,有興趣可以自行百度.

2. synchronize的使用

package main;

public class Service implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
       
        synchronized (this) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "進入了代碼塊");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准備退出代碼塊");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Service service=new Service();
        new Thread(service).start();
        new Thread(service).start();
    }
}

輸出結果:

Thread-0進入了代碼塊
Thread-0准備退出代碼塊
Thread-1進入了代碼塊
Thread-1准備退出代碼塊

　　synchronize的基本使用如上,其在使用和理解上非常容易理解這里不做多余解釋.我們在使用synchronize要注意同步代碼范圍不能太大,並且耗時操作最好不要在同步中進行,這樣會極大程度的影響程序效率.

3. synchronize鎖機制

　　https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/54883355

　　https://tech.meituan.com/2018/11/15/java-lock.html

4. Lock的作用

　　Lock同樣是實現同步的工具,但是他的實現與synchronize有本質上的差別,synchronize基於JVM的同步,Lock是一個接口,他是基於AQS的實現,底層是使用CAS和volatile變量結合實現.同樣在進入臨界區之前需要申請鎖,退出臨界區域需要手動釋放鎖,Lock主要實現類是ReetrantLock.

5. Lock的使用

public class Service implements Runnable {

    private Lock lock=new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        lock.lock();
        System.out.println("進入臨界資源");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("准備提出臨界資源");
        lock.unlock();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Service service=new Service();
        new Thread(service).start();
        new Thread(service).start();
    }
}

輸出結果

進入臨界資源
准備提出臨界資源
進入臨界資源
准備提出臨界資源

　　以上代碼使用的是ReetrantLock,他默認是使用非公平鎖,要使用公平鎖就給構造函數傳一個true.上面的代碼先調用lock方法獲取鎖,如果獲取到鎖則進入到臨界資源區沒有獲取到則阻塞,操作完后調用unlock方法釋放鎖並喚醒在鎖上等待的線程.

　　Lock中獲取鎖的主要方法有lock(),lockInterruptibly(),tryLock().

　　lock()方法不會響應中斷,lockInterruptibly()會響應中斷,tryLock()方法是嘗試獲取鎖,如果沒獲取到則返回false,否則true.

6. 公平鎖與非公平鎖在ReetrantLock的實現

　　在ReentrantLock類中有一個Sync內部類,他繼承自AbstractQueuedSynchronizer(即AQS,介紹看這里).Sync子類就是公平鎖(FairSync)和非公平鎖(NonfairSync),這兩個類也是ReentrantLock的內部類.

　　首先來看非公平鎖,非公平鎖是指后來線程具有極大的概率獲得鎖,來看看他的代碼實現.

　　

　　static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//將當前線程設置為鎖的擁有者
            else
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

　　lock()就是ReentrantLock類中的lock()方法具體調用的方法,compareAndSetState方法是一個CAS操作,它是AQS中的方法,它的功能是判斷鎖的狀態是否為0,如果為0則為1返回true,否則返回false.

　　acquire()方法是AQS的方法,他的功能是嘗試獲取鎖,下面是該方法的代碼

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) && //嘗試獲取鎖
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) //將當前線程放入等待隊列
            selfInterrupt(); //中斷自己
    }

　　該方法首先會調用tryAcquire()方法,這個方法就是NonfairSync類中的tryAcquire().下面是nonfairTryAcquire方法代碼

　　final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) { //如果鎖未被占用
                if (compareAndSetState(0, acquires)) { //CAS操作獲取鎖
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //如果鎖被占用且申請鎖的是鎖的擁有線程
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);//改變鎖狀態值
                return true;
            }
            return false;
        }

　　從上面代碼邏輯來看,非公平鎖是具有可重入性,如果獲取鎖失敗就返回false,否則返回true.我們在返回來看acquire()方法中的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)這一句,addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法是將當前線程放入等待隊列中,acquireQueued()方法再次嘗試獲取鎖,如果再次獲取失敗,則將當前線程阻塞,代碼如下

　　final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();//獲取等待隊列前一個節點
                if (p == head && tryAcquire(arg)) { //如果前一個節點是頭結點則再次獲取鎖
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;//返回中斷標記
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);//取消當前線程
        }
    }

　　其中shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)這個方法,是在再次獲取鎖失敗之后的處理,由於等待隊列中可能會有線程被取消,所以當前線程要去尋找自己前面的節點,直到找到一個沒有被取消的線程為止,這樣能夠保證自己能夠被喚醒.

　　parkAndCheckInterrupt()是將當前線程阻塞的方法,他調用了Unsafe類的本地方法.

　　以上就是非公平鎖獲取鎖的過程,值得注意的是,在線程阻塞階段,是不會響應中斷的,代碼中的響應中斷是線程被喚醒之后才響應,響應手段是通過執行selfInterrupt()方法,該方法就是調用了Thread類的interrupt()方法.也就是說,只有會響應中斷的方法才會被中斷,以第4節的代碼為例,線程被中斷的話,依然會輸出兩句話,只是線程不會睡眠而已.

　　接下來是鎖資源的釋放,AQS中已經實現好了鎖資源釋放方法release(),但是tryRelease()方法沒有實現,一下是ReetrantLock類的實現

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //是否為當前線程
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) { //如果狀態變為0即鎖變為未被擁有
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

　　接下來是release()方法

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {//嘗試釋放資源
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);//喚醒線程
            return true;
        }
        return false;
    }

　　unparkSuccessor()代碼如下

private void unparkSuccessor(Node node) {
       
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0) //如果線程狀態為小於0,表示有效狀態,大於0表示取消狀態
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);//喚醒線程
    }

　　這里會喚醒后繼節點,如果后繼節點為null或者被取消,則從隊尾開始向前回溯,為什么從隊尾開始?博主也無法理解.

　　以上便是非公平鎖的實現原理,非公平鎖在獲取鎖時如果有新線程進來,那么新線程有很大可能性會獲取到鎖資源,因為等待隊列中的線程被喚醒到重新請求鎖會消耗相當大的時間,公平鎖就能夠解決這個問題.

　　公平鎖與非公平鎖的唯一區別在於,公平鎖的tryAcquire()方法與非公平鎖不同,看代碼

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() && //唯一不同點
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

hasQueuedPredecessors()方法是用於判斷等待隊列是否存在,如果等待隊列中有節點,那么等待隊列肯定存在,那么線程就不能直接獲取鎖資源,必須去排隊,以下是源碼

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

以上是公平鎖與非公平鎖的實現.

7. condition

　　我們現在有個問題是:一個線程要進行下去,就必須一個條件滿足.我們這里有兩種有兩種實現.

　　1:無限循環,一直循環訪問條件,這樣顯然是極大程度浪費CPU資源

　　2:使用wait()方法,當條件滿足時被其他線程喚醒,這個方法是常用方法,但是這種方法依賴於synchronize

　　condition就是用來解決上面這個問題的.看代碼

public class ServiceCondition implements Runnable {

    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static boolean flag = false;
    private static Condition condition = lock.newCondition();

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            while (!flag) {
                System.out.println("條件為假,等待");
                condition.await();
            }
            System.out.println("條件為真,執行");
            lock.unlock();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ServiceCondition serviceCondition=new ServiceCondition();
        new Thread(serviceCondition).start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        lock.lock();
        flag=true;
        condition.signal();
        lock.unlock();
    }
}

　　condition.await()相當於wait()方法,singal()相當於notify()方法.必須獲取到鎖才能調用這兩個方法,原因是調用await()方法時,會釋放鎖資源,要釋放必須先要獲得;調用signal()方法時會判斷鎖的擁有者是否是當前線程,如果是才會允許調用,這兩個方法在未獲取到鎖時調用會拋出IllegalMonitorStateException異常.

8. 可重入性

　　synchronize具有可重入性,當一個線程獲取到鎖時,鎖會將當前線程設置為擁有線程,並且狀態值加1表示該鎖被獲取了1次,當該線程再次獲取同一個鎖對象時,鎖會判斷線程是否為擁有線程,如果是則允許獲取,並且狀態加1,否則拒絕獲取,釋放時必須一層一層釋放資源,直到狀態值為0,表示該鎖被完全釋放.

　　Lock與synchronize同理,我們從上面的代碼就可以看出來,Lock在獲取鎖資源時都會判斷是否為鎖擁有線程.

9. 內存可見性

　　內存可見性涉及到java內存模型，建議不了解的朋友看一下我的另一篇博文：理解JVM之java內存模型。

　　當線程進入synchronize代碼塊時，會將共享變量全部置為失效，后續在操作共享變量時會從主存中獲取最新的數據；當退出代碼塊時，線程會把共享變量的最新值寫回主存，保證了內存可見性。synchronize的內存可見性直接由JVM提供支持，但是Lock只是一個實現了同步鎖的工具類，他是如何實現內存可見性的呢？

　　我們回過頭看一下上面的tryAcquire()方法，其中在第二行 int c = getState(); 獲取state變量的值，這個值是AQS中表示線程當前同步狀態的變量，該值是一個volatile變量。在后續的獲取鎖、重入鎖時都是在操作這個變量，而在java內存模型中的規則對於變量讀/寫有這樣的規定：

　　1.讀普通變量時,如果跟隨在讀volatile變量之后,將會從主存刷新到工作區,讀到最新值

　　2.普通變量隨同volatile變量,在同一個線程中的賦值,將跟隨volatile變量被刷新到主存

　　我們在進入調用lock(),unlock()的時候其實對volatile變量進行了操作，所以鎖住的代碼塊同樣具有線程可見性。

10. 是否響應中斷

　　當使用synchronize進行同步時，如果線程未獲取到鎖將會掛起自己等待喚醒，線程再被喚醒之前不會響應中斷，也就是說即使調用Thread.Interrupt()方法也不會使掛起的線程中斷。但是Lock就可以響應中斷，我們可以回過頭看一下 public final void acquire(int arg); 方法，在 acquireQueued() 方法中會進行中斷標志位判斷，如果中斷則會中斷自己。

　　可以看出來，synchronize使用比起Lock更加方便，但是不夠靈活，一旦未獲取到鎖就只能夠進入掛起等待喚醒；而Lock靈活，但是不夠方便，需要手動進行加鎖、解鎖等操作。