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深入理解Java内置锁和显式锁

synchronized and Reentrantlock

多线程编程中,当代码需要同步时我们会用到锁。Java为我们提供了内置锁(synchronized)和显式锁(ReentrantLock)两种同步方式。显式锁是JDK1.5引入的,这两种锁有什么异同呢?是仅仅增加了一种选择还是另有其因?本文为您一探究竟。

内置锁

Java内置锁通过synchronized关键字使用,使用其修饰方法或者代码块,就能保证方法或者代码块以同步方式执行。使用起来非常近简单,就像下面这样:

// synchronized关键字用法示例
public synchronized void add(int t){// 同步方法
    this.v += t;
}

public static synchronized void sub(int t){// 同步静态方法
    value -= t;
}
public int decrementAndGet(){
    synchronized(obj){// 同步代码块
        return --v;
    }
}

这就是内置锁的全部用法,你已经学会了。

内置锁使用起来非常方便,不需要显式的获取和释放,任何一个对象都能作为一把内置锁。使用内置锁能够解决大部分的同步场景。“任何一个对象都能作为一把内置锁”也意味着出现synchronized关键字的地方,都有一个对象与之关联,具体说来:

  • 当synchronized作用于普通方法是,锁对象是this;
  • 当synchronized作用于静态方法是,锁对象是当前类的Class对象;
  • 当synchronized作用于代码块时,锁对象是synchronized(obj)中的这个obj。

显式锁

内置锁这么好用,为什么还需多出一个显式锁呢?因为有些事情内置锁是做不了的,比如:

  1. 我们想给锁加个等待时间超时时间,超时还未获得锁就放弃,不至于无限等下去;
  2. 我们想以可中断的方式获取锁,这样外部线程给我们发一个中断信号就能唤起等待锁的线程;
  3. 我们想为锁维持多个等待队列,比如一个生产者队列,一个消费者队列,一边提高锁的效率。

显式锁(ReentrantLock)正式为了解决这些灵活需求而生。ReentrantLock的字面意思是可重入锁,可重入的意思是线程可以同时多次请求同一把锁,而不会自己导致自己死锁。下面是内置锁和显式锁的区别:

  • 可定时:RenentrantLock.tryLock(long timeout, TimeUnit unit)提供了一种以定时结束等待的方式,如果线程在指定的时间内没有获得锁,该方法就会返回false并结束线程等待。

  • 可中断:你一定见过InterruptedException,很多跟多线程相关的方法会抛出该异常,这个异常并不是一个缺陷导致的负担,而是一种必须,或者说是一件好事。可中断性给我们提供了一种让线程提前结束的方式(而不是非得等到线程执行结束),这对于要取消耗时的任务非常有用。对于内置锁,线程拿不到内置锁就会一直等待,除了获取锁没有其他办法能够让其结束等待。RenentrantLock.lockInterruptibly()给我们提供了一种以中断结束等待的方式。

  • 条件队列(condition queue):线程在获取锁之后,可能会由于等待某个条件发生而进入等待状态(内置锁通过Object.wait()方法,显式锁通过Condition.await()方法),进入等待状态的线程会挂起并自动释放锁,这些线程会被放入到条件队列当中。synchronized对应的只有一个条件队列,而ReentrantLock可以有多个条件队列,多个队列有什么好处呢?请往下看。

  • 条件谓词:线程在获取锁之后,有时候还需要等待某个条件满足才能做事情,比如生产者需要等到“缓存不满”才能往队列里放入消息,而消费者需要等到“缓存非空”才能从队列里取出消息。这些条件被称作条件谓词,线程需要先获取锁,然后判断条件谓词是否满足,如果不满足就不往下执行,相应的线程就会放弃执行权并自动释放锁。使用同一把锁的不同的线程可能有不同的条件谓词,如果只有一个条件队列,当某个条件谓词满足时就无法判断该唤醒条件队列里的哪一个线程;但是如果每个条件谓词都有一个单独的条件队列,当某个条件满足时我们就知道应该唤醒对应队列上的线程(内置锁通过Object.notify()或者Object.notifyAll()方法唤醒,显式锁通过Condition.signal()或者Condition.signalAll()方法唤醒)。这就是多个条件队列的好处。

使用内置锁时,对象本身既是一把锁又是一个条件队列;使用显式锁时,RenentrantLock的对象是锁,条件队列通过RenentrantLock.newCondition()方法获取,多次调用该方法可以得到多个条件队列。

一个使用显式锁的典型示例如下:

// 显式锁的使用示例
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

// 获取锁,这是跟synchronized关键字对应的用法。
lock.lock();
try{
    // your code
}finally{
    lock.unlock();
}

// 可定时,超过指定时间为得到锁就放弃
try {
    lock.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
    try {
        // your code
    }finally {
        lock.unlock();
    }
} catch (InterruptedException e1) {
    // exception handling
}

// 可中断,等待获取锁的过程中线程线程可被中断
try {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // your code
    }finally {
        lock.unlock();
    }
} catch (InterruptedException e) {
    // exception handling
}

// 多个等待队列,具体参考[ArrayBlockingQueue](https://github.com/CarpenterLee/JCRecipes/blob/master/markdown/ArrayBlockingQueue.md)
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull = lock.newCondition();

注意,上述代码将unlock()放在finally块里,这么做是必需的。显式锁不像内置锁那样会自动释放,使用显式锁一定要在finally块中手动释放,如果获取锁后由于异常的原因没有释放锁,那么这把锁将永远得不到释放!将unlock()放在finally块中,保证无论发生什么都能够正常释放。

结论

内置锁能够解决大部分需要同步的场景,只有在需要额外灵活性是才需要考虑显式锁,比如可定时、可中断、多等待队列等特性。

显式锁虽然灵活,但是需要显式的申请和释放,并且释放一定要放到finally块中,否则可能会因为异常导致锁永远无法释放!这是显式锁最明显的缺点。

综上,当需要同步时请优先考虑更安全的更易用的隐式锁。

参考文献

https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/locks/ReentrantLock.html

posted on 2017-11-25 20:52 CarpenterLee 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏