前言

在 JDK 1.5 之前共享對象的協(xié)調機制只有 synchronized 和 volatile，在 JDK 1.5 中增加了新的機制 ReentrantLock，該機制的誕生并不是為了替代 synchronized，而是在 synchronized 不適用的情況下，提供一種可以選擇的高級功能。

典型回答：

synchronized 屬于獨占式悲觀鎖，是通過 JVM 隱式實現的，synchronized 只允許同一時刻只有一個線程操作資源。

在 Java 中每個對象都隱式包含一個 monitor（監(jiān)視器）對象，加鎖的過程其實就是競爭 monitor 的過程，當線程進入字節(jié)碼 monitorenter 指令之后，線程將持有 monitor 對象，執(zhí)行 monitorexit 時釋放 monitor 對象，當其他線程沒有拿到 monitor 對象時，則需要阻塞等待獲取該對象。

ReentrantLock 是 Lock 的默認實現方式之一，它是基于 AQS（Abstract Queued Synchronizer，隊列同步器）實現的，它默認是通過非公平鎖實現的，在它的內部有一個 state 的狀態(tài)字段用于表示鎖是否被占用，如果是 0 則表示鎖未被占用，此時線程就可以把 state 改為 1，并成功獲得鎖，而其他未獲得鎖的線程只能去排隊等待獲取鎖資源。

synchronized 和 ReentrantLock 都提供了鎖的功能，具備互斥性和不可見性。在 JDK 1.5 中 synchronized 的性能遠遠低于 ReentrantLock，但在 JDK 1.6 之后 synchronized 的性能略低于 ReentrantLock，它的區(qū)別如下：

• synchronized 是 JVM 隱式實現的，而 ReentrantLock 是 Java 語言提供的 API；
• ReentrantLock 可設置為公平鎖，而 synchronized 卻不行；
• ReentrantLock 只能修飾代碼塊，而 synchronized 可以用于修飾方法、修飾代碼塊等；
• ReentrantLock 需要手動加鎖和釋放鎖，如果忘記釋放鎖，則會造成資源被永久占用，而 synchronized 無需手動釋放鎖；
• ReentrantLock 可以知道是否成功獲得了鎖，而 synchronized 卻不行。

考點分析

synchronized 和 ReentrantLock 是比線程池還要高頻的面試問題，因為它包含了更多的知識點，且涉及到的知識點更加深入，對面試者的要求也更高，前面我們簡要地介紹了 synchronized 和 ReentrantLock 的概念及執(zhí)行原理，但很多大廠會更加深入的追問更多關于它們的實現細節(jié)，比如：

• ReentrantLock 的具體實現細節(jié)是什么？
• JDK 1.6 時鎖做了哪些優(yōu)化？

知識擴展

ReentrantLock 源碼分析

從源碼出發(fā)來解密 ReentrantLock 的具體實現細節(jié)，首先來看 ReentrantLock 的兩個構造函數：

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync(); // 非公平鎖
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

無參的構造函數創(chuàng)建了一個非公平鎖，用戶也可以根據第二個構造函數，設置一個 boolean 類型的值，來決定是否使用公平鎖來實現線程的調度。

公平鎖 VS 非公平鎖

公平鎖的含義是線程需要按照請求的順序來獲得鎖；而非公平鎖則允許“插隊”的情況存在，所謂的“插隊”指的是，線程在發(fā)送請求的同時該鎖的狀態(tài)恰好變成了可用，那么此線程就可以跳過隊列中所有排隊的線程直接擁有該鎖。

而公平鎖由于有掛起和恢復所以存在一定的開銷，因此性能不如非公平鎖，所以 ReentrantLock 和 synchronized 默認都是非公平鎖的實現方式。

ReentrantLock 是通過 lock() 來獲取鎖，并通過 unlock() 釋放鎖，使用代碼如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
try {
    // 加鎖
    lock.lock();
    //......業(yè)務處理
} finally {
    // 釋放鎖
    lock.unlock();
}

ReentrantLock 中的 lock() 是通過 sync.lock() 實現的，但 Sync 類中的 lock() 是一個抽象方法，需要子類 NonfairSync 或 FairSync 去實現，NonfairSync 中的 lock() 源碼如下：

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

FairSync 中的 lock() 源碼如下：

final void lock() {
    acquire(1);
}

可以看出非公平鎖比公平鎖只是多了一行 compareAndSetState 方法，該方法是嘗試將 state 值由 0 置換為 1，如果設置成功的話，則說明當前沒有其他線程持有該鎖，不用再去排隊了，可直接占用該鎖，否則，則需要通過 acquire 方法去排隊。

acquire 源碼如下：

public final void acquire(int arg) {
  if (!tryAcquire(arg) &&
  acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
  selfInterrupt();
}

tryAcquire 方法嘗試獲取鎖，如果獲取鎖失敗，則把它加入到阻塞隊列中，來看 tryAcquire 的源碼：

protected?final?boolean?tryAcquire(int?acquires)?{
????final?Thread?current?=?Thread.currentThread();
????int?c?=?getState();
????if?(c?==?0)?{
????????//?公平鎖比非公平鎖多了一行代碼?!hasQueuedPredecessors()?
????????if?(!hasQueuedPredecessors()?&&
????????????compareAndSetState(0,?acquires))?{?//嘗試獲取鎖
????????????setExclusiveOwnerThread(current);?//?獲取成功，標記被搶占
????????????return?true;
????????}
????}
????else?if?(current?==?getExclusiveOwnerThread())?{
????????int?nextc?=?c?+?acquires;
????????if?(nextc?<?0)
????????????throw?new?Error("Maximum?lock?count?exceeded");
????????setState(nextc);?//?set?state=state+1
????????return?true;
????}
????return?false;
}

對于此方法來說，公平鎖比非公平鎖只多一行代碼 !hasQueuedPredecessors()，它用來查看隊列中是否有比它等待時間更久的線程，如果沒有，就嘗試一下是否能獲取到鎖，如果獲取成功，則標記為已經被占用。

如果獲取鎖失敗，則調用 addWaiter 方法把線程包裝成 Node 對象，同時放入到隊列中，但 addWaiter 方法并不會嘗試獲取鎖，acquireQueued 方法才會嘗試獲取鎖，如果獲取失敗，則此節(jié)點會被掛起，源碼如下：

/**
?*?隊列中的線程嘗試獲取鎖，失敗則會被掛起
?*/
final?boolean?acquireQueued(final?Node?node,?int?arg)?{
????boolean?failed?=?true;?//?獲取鎖是否成功的狀態(tài)標識
????try?{
????????boolean?interrupted?=?false;?//?線程是否被中斷
????????for?(;;)?{
????????????//?獲取前一個節(jié)點（前驅節(jié)點）
????????????final?Node?p?=?node.predecessor();
????????????//?當前節(jié)點為頭節(jié)點的下一個節(jié)點時，有權嘗試獲取鎖
????????????if?(p?==?head?&&?tryAcquire(arg))?{
????????????????setHead(node);?//?獲取成功，將當前節(jié)點設置為?head?節(jié)點
????????????????p.next?=?null;?//?原?head?節(jié)點出隊，等待被?GC
????????????????failed?=?false;?//?獲取成功
????????????????return?interrupted;
????????????}
????????????//?判斷獲取鎖失敗后是否可以掛起
????????????if?(shouldParkAfterFailedAcquire(p,?node)?&&
????????????????parkAndCheckInterrupt())
????????????????//?線程若被中斷，返回?true
????????????????interrupted?=?true;
????????}
????}?finally?{
????????if?(failed)
????????????cancelAcquire(node);
????}
}

該方法會使用 for(;;) 無限循環(huán)的方式來嘗試獲取鎖，若獲取失敗，則調用 shouldParkAfterFailedAcquire 方法，嘗試掛起當前線程，源碼如下：

/**
?*?判斷線程是否可以被掛起
?*/
private?static?boolean?shouldParkAfterFailedAcquire(Node?pred,?Node?node)?{
????//?獲得前驅節(jié)點的狀態(tài)
????int?ws?=?pred.waitStatus;
????//?前驅節(jié)點的狀態(tài)為?SIGNAL，當前線程可以被掛起（阻塞）
????if?(ws?==?Node.SIGNAL)
????????return?true;
????if?(ws?>?0)?{?
????????do?{
????????//?若前驅節(jié)點狀態(tài)為?CANCELLED，那就一直往前找，直到找到一個正常等待的狀態(tài)為止
????????????node.prev?=?pred?=?pred.prev;
????????}?while?(pred.waitStatus?>?0);
????????//?并將當前節(jié)點排在它后邊
????????pred.next?=?node;
????}?else?{
????????//?把前驅節(jié)點的狀態(tài)修改為?SIGNAL
????????compareAndSetWaitStatus(pred,?ws,?Node.SIGNAL);
????}
????return?false;
}

線程入列被掛起的前提條件是，前驅節(jié)點的狀態(tài)為 SIGNAL，SIGNAL 狀態(tài)的含義是后繼節(jié)點處于等待狀態(tài)，當前節(jié)點釋放鎖后將會喚醒后繼節(jié)點。所以在上面這段代碼中，會先判斷前驅節(jié)點的狀態(tài)，如果為 SIGNAL，則當前線程可以被掛起并返回 true；如果前驅節(jié)點的狀態(tài) >0，則表示前驅節(jié)點取消了，這時候需要一直往前找，直到找到最近一個正常等待的前驅節(jié)點，然后把它作為自己的前驅節(jié)點；如果前驅節(jié)點正常（未取消），則修改前驅節(jié)點狀態(tài)為 SIGNAL。

到這里整個加鎖的流程就已經走完了，最后的情況是，沒有拿到鎖的線程會在隊列中被掛起，直到擁有鎖的線程釋放鎖之后，才會去喚醒其他的線程去獲取鎖資源，整個運行流程如下圖所示：

unlock 相比于 lock 來說就簡單很多了，源碼如下：

public?void?unlock()?{
????sync.release(1);
}
public?final?boolean?release(int?arg)?{
????//?嘗試釋放鎖
????if?(tryRelease(arg))?{
????????//?釋放成功
????????Node?h?=?head;
????????if?(h?!=?null?&&?h.waitStatus?!=?0)
????????????unparkSuccessor(h);
????????return?true;
????}
????return?false;
}

鎖的釋放流程為，先調用 tryRelease 方法嘗試釋放鎖，如果釋放成功，則查看頭結點的狀態(tài)是否為 SIGNAL，如果是，則喚醒頭結點的下個節(jié)點關聯(lián)的線程；如果釋放鎖失敗，則返回 false。

tryRelease 源碼如下：

/**
?*?嘗試釋放當前線程占有的鎖
?*/
protected?final?boolean?tryRelease(int?releases)?{
????int?c?=?getState()?-?releases;?//?釋放鎖后的狀態(tài)，0?表示釋放鎖成功
????//?如果擁有鎖的線程不是當前線程的話拋出異常
????if?(Thread.currentThread()?!=?getExclusiveOwnerThread())
????????throw?new?IllegalMonitorStateException();
????boolean?free?=?false;
????if?(c?==?0)?{?//?鎖被成功釋放
????????free?=?true;
????????setExclusiveOwnerThread(null);?//?清空獨占線程
????}
????setState(c);?//?更新?state?值，0?表示為釋放鎖成功
????return?free;
}

在 tryRelease 方法中，會先判斷當前的線程是不是占用鎖的線程，如果不是的話，則會拋出異常；如果是的話，則先計算鎖的狀態(tài)值 getState() - releases 是否為 0，如果為 0，則表示可以正常的釋放鎖，然后清空獨占的線程，最后會更新鎖的狀態(tài)并返回執(zhí)行結果。

JDK 1.6 鎖優(yōu)化

自適應自旋鎖

JDK 1.5 在升級為 JDK 1.6 時，HotSpot 虛擬機團隊在鎖的優(yōu)化上下了很大功夫，比如實現了自適應式自旋鎖、鎖升級等。

JDK 1.6 引入了自適應式自旋鎖意味著自旋的時間不再是固定的時間了，比如在同一個鎖對象上，如果通過自旋等待成功獲取了鎖，那么虛擬機就會認為，它下一次很有可能也會成功 (通過自旋獲取到鎖)，因此允許自旋等待的時間會相對的比較長，而當某個鎖通過自旋很少成功獲得過鎖，那么以后在獲取該鎖時，可能會直接忽略掉自旋的過程，以避免浪費 CPU 的資源，這就是自適應自旋鎖的功能。

鎖升級

鎖升級其實就是從偏向鎖到輕量級鎖再到重量級鎖升級的過程，這是 JDK 1.6 提供的優(yōu)化功能，也稱之為鎖膨脹。

偏向鎖是指在無競爭的情況下設置的一種鎖狀態(tài)。偏向鎖的意思是它會偏向于第一個獲取它的線程，當鎖對象第一次被獲取到之后，會在此對象頭中設置標示為“01”，表示偏向鎖的模式，并且在對象頭中記錄此線程的 ID，這種情況下，如果是持有偏向鎖的線程每次在進入的話，不再進行任何同步操作，如 Locking、Unlocking 等，直到另一個線程嘗試獲取此鎖的時候，偏向鎖模式才會結束，偏向鎖可以提高帶有同步但無競爭的程序性能。但如果在多數鎖總會被不同的線程訪問時，偏向鎖模式就比較多余了，此時可以通過 -XX:-UseBiasedLocking 來禁用偏向鎖以提高性能。

輕量鎖是相對于重量鎖而言的，在 JDK 1.6 之前，synchronized 是通過操作系統(tǒng)的互斥量（mutex lock）來實現的，這種實現方式需要在用戶態(tài)和核心態(tài)之間做轉換，有很大的性能消耗，這種傳統(tǒng)實現鎖的方式被稱之為重量鎖。

而輕量鎖是通過比較并交換（CAS，Compare and Swap）來實現的，它對比的是線程和對象的 Mark Word（對象頭中的一個區(qū)域），如果更新成功則表示當前線程成功擁有此鎖；如果失敗，虛擬機會先檢查對象的 Mark Word 是否指向當前線程的棧幀，如果是，則說明當前線程已經擁有此鎖，否則，則說明此鎖已經被其他線程占用了。當兩個以上的線程爭搶此鎖時，輕量級鎖就膨脹為重量級鎖，這就是鎖升級的過程，也是 JDK 1.6 鎖優(yōu)化的內容。

總結

本文首先講了 synchronized 和 ReentrantLock 的實現過程，然后講了 synchronized 和 ReentrantLock 的區(qū)別，最后通過源碼的方式講了 ReentrantLock 加鎖和解鎖的執(zhí)行流程。接著又講了 JDK 1.6 中的鎖優(yōu)化，包括自適應式自旋鎖的實現過程，以及 synchronized 的三種鎖狀態(tài)和鎖升級的執(zhí)行流程。

synchronized 剛開始為偏向鎖，隨著鎖競爭越來越激烈，會升級為輕量級鎖和重量級鎖。如果大多數鎖被不同的線程所爭搶就不建議使用偏向鎖了。

到此這篇關于Synchronized 和 ReentrantLock 的實現原理及區(qū)別的文章就介紹到這了,更多相關Synchronized 與 ReentrantLock 內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評論