synchronize与lock

1. synchronize的作用

　　synchronize是java最原始的同步关键字,通过对方法或者代码块进行加锁实现对临界区域的保护.线程每次进去同步方法或者代码块都需要申请锁,如果锁被占用则会等待锁的释放,值得注意的是,等待锁的线程不会响应中断.synchronize的锁分为对象所和类锁,当synchronize修饰静态方法或者synchronize(Object.class)这样写时是类锁,当synchronize修饰普通方法或者synchronize(this)这样写时是对象锁(this可以替换成其他对象的引用).synchronize是官方推荐使用的同步工具,synchronize主要是在JVM层面实现的同步,官方已经对synchronize的性能进行了多次优化,有兴趣可以自行百度.

2. synchronize的使用

package main;

public class Service implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
       
        synchronized (this) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入了代码块");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备退出代码块");
        }
    }

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

输出结果:

Thread-0进入了代码块
Thread-0准备退出代码块
Thread-1进入了代码块
Thread-1准备退出代码块

　　synchronize的基本使用如上,其在使用和理解上非常容易理解这里不做多余解释.我们在使用synchronize要注意同步代码范围不能太大,并且耗时操作最好不要在同步中进行,这样会极大程度的影响程序效率.

3. synchronize锁机制

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

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

4. Lock的作用

　　Lock同样是实现同步的工具,但是他的实现与synchronize有本质上的差别,synchronize基于JVM的同步,Lock是一个接口,他是基于AQS的实现,底层是使用CAS和volatile变量结合实现.同样在进入临界区之前需要申请锁,退出临界区域需要手动释放锁,Lock主要实现类是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("进入临界资源");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("准备提出临界资源");
        lock.unlock();
    }

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

输出结果

进入临界资源
准备提出临界资源
进入临界资源
准备提出临界资源

　　以上代码使用的是ReetrantLock,他默认是使用非公平锁,要使用公平锁就给构造函数传一个true.上面的代码先调用lock方法获取锁,如果获取到锁则进入到临界资源区没有获取到则阻塞,操作完后调用unlock方法释放锁并唤醒在锁上等待的线程.

　　Lock中获取锁的主要方法有lock(),lockInterruptibly(),tryLock().

　　lock()方法不会响应中断,lockInterruptibly()会响应中断,tryLock()方法是尝试获取锁,如果没获取到则返回false,否则true.

6. 公平锁与非公平锁在ReetrantLock的实现

　　在ReentrantLock类中有一个Sync内部类,他继承自AbstractQueuedSynchronizer(即AQS,介绍看这里).Sync子类就是公平锁(FairSync)和非公平锁(NonfairSync),这两个类也是ReentrantLock的内部类.

　　首先来看非公平锁,非公平锁是指后来线程具有极大的概率获得锁,来看看他的代码实现.

　　

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

        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//将当前线程设置为锁的拥有者
            else
                acquire(1);
        }

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

　　lock()就是ReentrantLock类中的lock()方法具体调用的方法,compareAndSetState方法是一个CAS操作,它是AQS中的方法,它的功能是判断锁的状态是否为0,如果为0则为1返回true,否则返回false.

　　acquire()方法是AQS的方法,他的功能是尝试获取锁,下面是该方法的代码

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) && //尝试获取锁
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) //将当前线程放入等待队列
            selfInterrupt(); //中断自己
    }

　　该方法首先会调用tryAcquire()方法,这个方法就是NonfairSync类中的tryAcquire().下面是nonfairTryAcquire方法代码

　　final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) { //如果锁未被占用
                if (compareAndSetState(0, acquires)) { //CAS操作获取锁
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //如果锁被占用且申请锁的是锁的拥有线程
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);//改变锁状态值
                return true;
            }
            return false;
        }

　　从上面代码逻辑来看,非公平锁是具有可重入性,如果获取锁失败就返回false,否则返回true.我们在返回来看acquire()方法中的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)这一句,addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法是将当前线程放入等待队列中,acquireQueued()方法再次尝试获取锁,如果再次获取失败,则将当前线程阻塞,代码如下

　　final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();//获取等待队列前一个节点
                if (p == head && tryAcquire(arg)) { //如果前一个节点是头结点则再次获取锁
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;//返回中断标记
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);//取消当前线程
        }
    }

　　其中shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)这个方法,是在再次获取锁失败之后的处理,由于等待队列中可能会有线程被取消,所以当前线程要去寻找自己前面的节点,直到找到一个没有被取消的线程为止,这样能够保证自己能够被唤醒.

　　parkAndCheckInterrupt()是将当前线程阻塞的方法,他调用了Unsafe类的本地方法.

　　以上就是非公平锁获取锁的过程,值得注意的是,在线程阻塞阶段,是不会响应中断的,代码中的响应中断是线程被唤醒之后才响应,响应手段是通过执行selfInterrupt()方法,该方法就是调用了Thread类的interrupt()方法.也就是说,只有会响应中断的方法才会被中断,以第4节的代码为例,线程被中断的话,依然会输出两句话,只是线程不会睡眠而已.

　　接下来是锁资源的释放,AQS中已经实现好了锁资源释放方法release(),但是tryRelease()方法没有实现,一下是ReetrantLock类的实现

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //是否为当前线程
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) { //如果状态变为0即锁变为未被拥有
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

　　接下来是release()方法

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {//尝试释放资源
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);//唤醒线程
            return true;
        }
        return false;
    }

　　unparkSuccessor()代码如下

private void unparkSuccessor(Node node) {
       
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0) //如果线程状态为小于0,表示有效状态,大于0表示取消状态
            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);//唤醒线程
    }

　　这里会唤醒后继节点,如果后继节点为null或者被取消,则从队尾开始向前回溯,为什么从队尾开始?博主也无法理解.

　　以上便是非公平锁的实现原理,非公平锁在获取锁时如果有新线程进来,那么新线程有很大可能性会获取到锁资源,因为等待队列中的线程被唤醒到重新请求锁会消耗相当大的时间,公平锁就能够解决这个问题.

　　公平锁与非公平锁的唯一区别在于,公平锁的tryAcquire()方法与非公平锁不同,看代码

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() && //唯一不同点
                    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()方法是用于判断等待队列是否存在,如果等待队列中有节点,那么等待队列肯定存在,那么线程就不能直接获取锁资源,必须去排队,以下是源码

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());
    }

以上是公平锁与非公平锁的实现.

7. condition

　　我们现在有个问题是:一个线程要进行下去,就必须一个条件满足.我们这里有两种有两种实现.

　　1:无限循环,一直循环访问条件,这样显然是极大程度浪费CPU资源

　　2:使用wait()方法,当条件满足时被其他线程唤醒,这个方法是常用方法,但是这种方法依赖于synchronize

　　condition就是用来解决上面这个问题的.看代码

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("条件为假,等待");
                condition.await();
            }
            System.out.println("条件为真,执行");
            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()相当于wait()方法,singal()相当于notify()方法.必须获取到锁才能调用这两个方法,原因是调用await()方法时,会释放锁资源,要释放必须先要获得;调用signal()方法时会判断锁的拥有者是否是当前线程,如果是才会允许调用,这两个方法在未获取到锁时调用会抛出IllegalMonitorStateException异常.

8. 可重入性

　　synchronize具有可重入性,当一个线程获取到锁时,锁会将当前线程设置为拥有线程,并且状态值加1表示该锁被获取了1次,当该线程再次获取同一个锁对象时,锁会判断线程是否为拥有线程,如果是则允许获取,并且状态加1,否则拒绝获取,释放时必须一层一层释放资源,直到状态值为0,表示该锁被完全释放.

　　Lock与synchronize同理,我们从上面的代码就可以看出来,Lock在获取锁资源时都会判断是否为锁拥有线程.

9. 内存可见性

　　内存可见性涉及到java内存模型，建议不了解的朋友看一下我的另一篇博文：理解JVM之java内存模型。

　　当线程进入synchronize代码块时，会将共享变量全部置为失效，后续在操作共享变量时会从主存中获取最新的数据；当退出代码块时，线程会把共享变量的最新值写回主存，保证了内存可见性。synchronize的内存可见性直接由JVM提供支持，但是Lock只是一个实现了同步锁的工具类，他是如何实现内存可见性的呢？

　　我们回过头看一下上面的tryAcquire()方法，其中在第二行 int c = getState(); 获取state变量的值，这个值是AQS中表示线程当前同步状态的变量，该值是一个volatile变量。在后续的获取锁、重入锁时都是在操作这个变量，而在java内存模型中的规则对于变量读/写有这样的规定：

　　1.读普通变量时,如果跟随在读volatile变量之后,将会从主存刷新到工作区,读到最新值

　　2.普通变量随同volatile变量,在同一个线程中的赋值,将跟随volatile变量被刷新到主存

　　我们在进入调用lock(),unlock()的时候其实对volatile变量进行了操作，所以锁住的代码块同样具有线程可见性。

10. 是否响应中断

　　当使用synchronize进行同步时，如果线程未获取到锁将会挂起自己等待唤醒，线程再被唤醒之前不会响应中断，也就是说即使调用Thread.Interrupt()方法也不会使挂起的线程中断。但是Lock就可以响应中断，我们可以回过头看一下 public final void acquire(int arg); 方法，在 acquireQueued() 方法中会进行中断标志位判断，如果中断则会中断自己。

　　可以看出来，synchronize使用比起Lock更加方便，但是不够灵活，一旦未获取到锁就只能够进入挂起等待唤醒；而Lock灵活，但是不够方便，需要手动进行加锁、解锁等操作。