Synchronized与ReenTrantLock的区别与使用

1. 锁背景知识**

1. 线程与进程

在开始之前先把进程与线程进行区分一下，一个程序最少需要一个进程，而一个进程最少需要一个线程。关系是线程–>进程–>程序的大致组成结构。所以线程是程序执行流的最小单位，而进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。以下我们所有讨论的都是建立在线程基础之上。

2. Thread的几个重要方法

我们先了解一下Thread的几个重要方法。a、start()方法，调用该方法开始执行该线程；b、stop()方法，调用该方法强制结束该线程执行；c、join方法，调用该方法等待该线程结束。d、sleep()方法，调用该方法该线程进入等待。e、run()方法，调用该方法直接执行线程的run()方法，但是线程调用start()方法时也会运行run()方法，区别就是一个是由线程调度运行run()方法，一个是直接调用了线程中的run()方法！

要注意，其实wait()与notify()方法是Object的方法，不是Thread的方法！！同时，wait()与notify()会配合使用，分别表示线程挂起和线程恢复。

这里还有一个很常见的问题：wait()与sleep()的区别，简单来说wait()会释放对象锁而sleep()不会释放对象锁。

3. 线程状态

线程总共有5大状态

• 新建状态：新建线程对象，并没有调用start()方法之前
• 就绪状态：调用start()方法之后线程就进入就绪状态，但是并不是说只要调用start()方法线程就马上变为当前线程，在变为当前线程之前都是为就绪状态。值得一提的是，线程在睡眠和挂起中恢复的时候也会进入就绪状态哦。
• 运行状态：线程被设置为当前线程，开始执行run()方法。就是线程进入运行状态
• 阻塞状态：线程被暂停，比如说调用sleep()方法后线程就进入阻塞状态
• 死亡状态：线程执行结束

4. 锁类型

• 可重入锁：在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁
• 可中断锁：在等待获取锁过程中可中断
• 公平锁： 按等待获取锁的线程的等待时间进行获取，等待时间长的具有优先获取锁权利
• 读写锁：对资源读取和写入的时候拆分为2部分处理，读的时候可以多线程一起读，写的时候必须同步地写

2. synchronized与Lock的区别

1、我把两者的区别分类到了一个表中，方便大家对比：

3. Lock详细介绍与Demo

以下是Lock接口的源码，笔者修剪之后的结果：（看后面并发包的详解更好）

public interface Lock {
    /**
     * Acquires the lock.
     */
    void lock();
    /**
     * Acquires the lock unless the current thread is
     * {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    /**
     * Acquires the lock only if it is free at the time of invocation.
     */
    boolean tryLock();
    /**
     * Acquires the lock if it is free within the given waiting time and the
     * current thread has not been {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    /**
     * Releases the lock.
     */
    void unlock();
}
从Lock接口中我们可以看到主要有个方法，这些方法的功能从注释中可以看出：

• lock()：获取锁，如果锁被暂用则一直等待
• unlock():释放锁
• tryLock(): 注意返回类型是boolean，如果获取锁的时候锁被占用就返回false，否则返回true
• tryLock(long time, TimeUnit unit)：比起tryLock()就是给了一个时间期限，保证等待参数时间
• lockInterruptibly()：用该锁的获得方式，如果线程在获取锁的阶段进入了等待，那么可以中断此线程，先去做别的事

通过 以上的解释，大致可以解释在上个部分中“锁类型(lockInterruptibly())”，“锁状态(tryLock())”等问题，还有就是前面子所获取的过程我所写的“大致就是可以尝试获得锁，线程可以不会一直等待”用了“可以”的原因。

下面是Lock一般使用的例子，注意ReentrantLock是Lock接口的实现

1. lock()

package com.brickworkers;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //需要参与同步的方法
    private void method(Thread thread){
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "获得了锁");
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        LockTest lockTest = new LockTest();
        //线程1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
//执行情况：线程名t1获得了锁
//         线程名t1释放了锁
//         线程名t2获得了锁
//         线程名t2释放了锁

2. tryLock()

package com.brickworkers;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //需要参与同步的方法
    private void method(Thread thread){
/*        lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "获得了锁");
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("线程名"+thread.getName() + "释放了锁");
            lock.unlock();
        }*/
        if(lock.tryLock()){
            try {
                System.out.println("线程名"+thread.getName() + "获得了锁");
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println("线程名"+thread.getName() + "释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        }else{
            System.out.println("我是"+Thread.currentThread().getName()+"有人占着锁，我就不要啦");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        LockTest lockTest = new LockTest();
        //线程1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lockTest.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
//执行结果： 线程名t2获得了锁
//         我是t1有人占着锁，我就不要啦
//         线程名t2释放了锁

看到这里相信大家也都会使用如何使用Lock了吧，关于tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()不再赘述。前者主要存在一个等待时间，在测试代码中写入一个等待时间，后者主要是等待中断，会抛出一个中断异常，常用度不高，喜欢探究可以自己深入研究

前面比较重提到“公平锁”，在这里可以提一下ReentrantLock对于平衡锁的定义，在源码中有这么两段：
 /**
     * Sync object for non-fair locks
     */
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }
    /**
     * Sync object for fair locks
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
        final void lock() {
            acquire(1);
        }
        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    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;
        }
    }

从以上源码可以看出在Lock中可以自己控制锁是否公平，而且，默认的是非公平锁，以下是ReentrantLock的构造函数：

   public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();//默认非公平锁
    }

延伸学习：对于LOCK底层的实现，大家可以参考：
点击Lock底层介绍博客

两种同步方式性能测试，大家可以参考：
点击查看两种同步方式性能测试博客

4. 两种锁的底层实现方式

1. synchronized

我们知道java是用字节码指令来控制程序（这里不包括热点代码编译成机器码）。在字节指令中，存在有synchronized所包含的代码块，那么会形成2段流程的执行。

我们点击查看SyncDemo.java的源码SyncDemo.class，可以看到如下：

如上就是这段代码段字节码指令，我们可以清晰段看到，其实synchronized映射成字节码指令就是增加来两个指令：monitorenter和monitorexit。当一条线程进行执行的遇到monitorenter指令的时候，它会去尝试获得锁，如果获得锁那么锁计数+1（为什么会加一呢，因为它是一个可重入锁，所以需要用这个锁计数判断锁的情况），如果没有获得锁，那么阻塞。当它遇到monitorexit的时候，锁计数器-1，当计数器为0，那么就释放锁。

那为什么图上有2个monitorexit：上面我以前写的文章也有表述过，synchronized锁释放有两种机制，一种就是执行完释放；另外一种就是发送异常，虚拟机释放。图中第二个monitorexit就是发生异常时执行的流程，这就是我开头说的“会有2个流程存在“。而且，从图中我们也可以看到在第13行，有一个goto指令，也就是说如果正常运行结束会跳转到19行执行。

2. Lock

Lock：Lock实现和synchronized不一样，后者是一种悲观锁，它胆子很小，它很怕有人和它抢吃的，所以它每次吃东西前都把自己关起来。而Lock呢底层其实是CAS乐观锁的体现，它无所谓，别人抢了它吃的，它重新去拿吃的就好啦，所以它很乐观。具体底层怎么实现，不在细述，有机会的话，我会对concurrent包下面的机制好好和大家说说，如果面试问起，你就说底层主要靠volatile和CAS操作实现的。

现在，才是我真正想在这篇博文后面加的，我要说的是：尽可能去使用synchronized而不要去使用LOCK

什么概念呢？我和大家打个比方：你叫jdk，你生了一个孩子叫synchronized，后来呢，你领养了一个孩子叫LOCK。起初，LOCK刚来到新家的时候，它很乖，很懂事，各个方面都表现的比synchronized好。你很开心，但是你内心深处又有一点淡淡的忧伤，你不希望你自己亲生的孩子竟然还不如一个领养的孩子乖巧。这个时候，你对亲生的孩子教育更加深刻了，你想证明，你的亲生孩子synchronized并不会比领养的孩子LOCK差。（博主只是打个比方）

3. Synchronized优化

那如何教育呢？
在jdk1.6~jdk1.7的时候，也就是synchronized16、7岁的时候，你作为爸爸，你给他优化了，具体优化在哪里呢：

1. 线程自旋和适应性自旋

我们知道，java’线程其实是映射在内核之上的，线程的挂起和恢复会极大的影响开销。并且jdk官方人员发现，很多线程在等待锁的时候，在很短的一段时间就获得了锁，所以它们在线程等待的时候，并不需要把线程挂起，而是让他无目的的循环，一般设置10次。这样就避免了线程切换的开销，极大的提升了性能。
而适应性自旋，是赋予了自旋一种学习能力，它并不固定自旋10次一下。他可以根据它前面线程的自旋情况，从而调整它的自旋，甚至是不经过自旋而直接挂起。

2. 锁消除

什么叫锁消除呢？就是把不必要的同步在编译阶段进行移除。
那么有的小伙伴又迷糊了，我自己写的代码我会不知道这里要不要加锁？我加了锁就是表示这边会有同步呀？
并不是这样，这里所说的锁消除并不一定指代是你写的代码的锁消除，我打一个比方：
在jdk1.5以前，我们的String字符串拼接操作其实底层是StringBuffer来实现的（这个大家可以用我前面介绍的方法，写一个简单的demo，然后查看class文件中的字节码指令就清楚了），而在jdk1.5之后，那么是用StringBuilder来拼接的。我们考虑前面的情况，比如如下代码：

String str1="qwe";
String str2="asd";
String str3=str1+str2;

底层实现会变成这样：

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("qwe");
sb.append("asd");

我们知道，StringBuffer是一个线程安全的类，也就是说两个append方法都会同步，通过指针逃逸分析（就是变量不会外泄），我们发现在这段代码并不存在线程安全问题，这个时候就会把这个同步锁消除。

3. 锁粗化

在用synchronized的时候，我们都讲究为了避免大开销，尽量同步代码块要小。那么为什么还要加粗呢？
我们继续以上面的字符串拼接为例，我们知道在这一段代码中，每一个append都需要同步一次，那么我可以把锁粗化到第一个append和最后一个append（这里不要去纠结前面的锁消除，我只是打个比方）

4. 轻量级锁

5. 偏向锁

5. ReenTrantLock可重入锁和synchronized区别

1. 可重入性

从名字上理解，ReenTrantLock的字面意思就是再进入的锁，其实synchronized关键字所使用的锁也是可重入的，两者关于这个的区别不大。两者都是同一个线程没进入一次，锁的计数器都自增1，所以要等到锁的计数器下降为0时才能释放锁。

2. 锁的实现

Synchronized是依赖于JVM实现的，而ReenTrantLock是JDK实现的，有什么区别，说白了就类似于操作系统来控制实现和用户自己敲代码实现的区别。前者的实现是比较难见到的，后者有直接的源码可供阅读。

3. 性能的区别

在Synchronized优化以前，synchronized的性能是比ReenTrantLock差很多的，但是自从Synchronized引入了偏向锁，轻量级锁（自旋锁）后，两者的性能就差不多了，在两种方法都可用的情况下，官方甚至建议使用synchronized，其实synchronized的优化我感觉就借鉴了ReenTrantLock中的CAS技术。都是试图在用户态就把加锁问题解决，避免进入内核态的线程阻塞。

4. 功能区别

便利性：很明显Synchronized的使用比较方便简洁，并且由编译器去保证锁的加锁和释放，而ReenTrantLock需要手工声明来加锁和释放锁，为了避免忘记手工释放锁造成死锁，所以最好在finally中声明释放锁。
锁的细粒度和灵活度：很明显ReenTrantLock优于Synchronized

5. ReenTrantLock独有能力

1. ReenTrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。
   2. ReenTrantLock提供了一个Condition（条件）类，用来实现分组唤醒需要唤醒的线程们，而不是像synchronized要么随机唤醒一个线程要么唤醒全部线程。
   3. ReenTrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制。
   

   6. ReenTrantLock实现原理

   在网上看到相关的源码分析，本来这块应该是本文的核心，但是感觉比较复杂就不一一详解了，简单来说，ReenTrantLock的实现是一种自旋锁，通过循环调用CAS操作来实现加锁。它的性能比较好也是因为避免了使线程进入内核态的阻塞状态。想尽办法避免线程进入内核的阻塞状态是我们去分析和理解锁设计的关键钥匙。
   

   7. 什么情况下使用ReenTrantLock

   答案是，如果你需要实现ReenTrantLock的三个独有功能时。