【并发】线程同步——锁Lock与synchronized比较

1、简单使用Lock锁

    Java 5中引入了新的锁机制——java.util.concurrent.locks中的显式的互斥锁：Lock接口，它提供了比synchronized更加普遍的锁定操做。Lock接口有3个实现它的类：ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock，即重入锁、读锁和写锁。lock必须被显式地建立、锁定和释放，为了可使用更多的功能，通常用ReentrantLock为其实例化。为了保证锁最终必定会被释放（可能会有异常发生），要把互斥区放在try语句块内，并在finally语句块中释放锁，尤为当有return语句时，return语句必须放在try字句中，以确保unlock（）不会过早发生，从而将数据暴露给第二个任务。所以，采用lock加锁和释放锁的通常形式以下：

Lock lock = new ReentrantLock();//默认使用非公平锁，若是要使用公平锁，须要传入参数true

........

lock.lock();

try {

//更新对象的状态

//捕获异常，必要时恢复到原来的不变约束

//若是有return语句，放在这里

} finally {

lock.unlock(); //锁必须在finally块中释放

}

2、ReetrankLock与synchronized比较

一、性能比较

    在JDK1.5中，synchronized是性能低效的。由于这是一个重量级操做，它对性能最大的影响是阻塞的是实现，挂起线程和恢复线程的操做都须要转入内核态中完成，这些操做给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用Java提供的Lock对象，性能更高一些。Brian Goetz对这两种锁在JDK1.五、单核处理器及双Xeon处理器环境下作了一组吞吐量对比的实验，发现多线程环境下，synchronized的吞吐量降低的很是严重，而ReentrankLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。但与其说ReetrantLock性能好，倒不如说synchronized还有很是大的优化余地，因而到了JDK1.6，发生了变化，对synchronize加入了不少优化措施，有自适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。致使在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他们也更支持synchronize，在将来的版本中还有优化余地，因此仍是提倡在synchronized能实现需求的状况下，优先考虑使用synchronized来进行同步。

下面浅析如下两种锁机制的底层的实现策略。

    互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，于是这种同步又称为阻塞同步，它属于一种悲观的并发策略，即线程得到的是独占锁。独占锁意味着其余线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引发线程上下文切换，当有不少线程竞争锁的时候，会引发CPU频繁的上下文切换致使效率很低。synchronized采用的即是这种并发策略。

    随着指令集的发展，咱们有了另外一种选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地讲就是先进性操做，若是没有其余线程争用共享数据，那操做就成功了，若是共享数据被争用，产生了冲突，那就再进行其余的补偿措施（最多见的补偿措施就是不断地重拾，直到试成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不须要把线程挂起，所以这种同步被称为非阻塞同步。ReetrantLock采用的即是这种并发策略。

    在乐观的并发策略中，须要操做和冲突检测这两个步骤具有原子性，它靠硬件指令来保证，这里用的是CAS操做（Compare and Swap）。JDK1.5以后，Java程序才可使用CAS操做。咱们能够进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的得到锁的一个方法是compareAndSetState，这里其实就是调用的CPU提供的特殊指令。现代的CPU提供了指令，能够自动更新共享数据，并且可以检测到其余线程的干扰，而compareAndSet() 就用这些代替了锁定。这个算法称做非阻塞算法，意思是一个线程的失败或者挂起不该该影响其余线程的失败或挂起。

    Java 5中引入了注入AutomicInteger、AutomicLong、AutomicReference等特殊的原子性变量类，它们提供的如：compareAndSet（）、incrementAndSet（）和getAndIncrement（）等方法都使用了CAS操做。所以，它们都是由硬件指令来保证的原子方法。

  二、用途比较

    基本语法上，ReentrantLock与synchronized很类似，它们都具有同样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别而已，一个表现为API层面的互斥锁（Lock），一个表现为原生语法层面的互斥锁（synchronized）。ReentrantLock相对synchronized而言仍是增长了一些高级功能，主要有如下三项：

    一、等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程能够选择放弃等待，改成处理其余事情，它对处理执行时间很是上的同步块颇有帮助。而在等待由synchronized产生的互斥锁时，会一直阻塞，是不能被中断的。

    二、可实现公平锁：多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序排队等待，而非公平锁则不保证这点，在锁释放时，任何一个等待锁的线程都有机会得到锁。synchronized中的锁时非公平锁，ReentrantLock默认状况下也是非公平锁，但能够经过构造方法ReentrantLock（ture）来要求使用公平锁。

    三、锁能够绑定多个条件：ReentrantLock对象能够同时绑定多个Condition对象（名曰：条件变量或条件队列），而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法能够实现一个隐含条件，但若是要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无需这么作，只须要屡次调用newCondition（）方法便可。并且咱们还能够经过绑定Condition对象来判断当前线程通知的是哪些线程（即与Condition对象绑定在一块儿的其余线程）。

三、可中断锁

    ReetrantLock有两种锁：忽略中断锁和响应中断锁。忽略中断锁与synchronized实现的互斥锁同样，不能响应中断，而响应中断锁能够响应中断。

    若是某一线程A正在执行锁中的代码，另外一线程B正在等待获取该锁，可能因为等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其余事情，咱们可让它中断本身或者在别的线程中中断它，若是此时ReetrantLock提供的是忽略中断锁，则它不会去理会该中断，而是让线程B继续等待，而若是此时ReetrantLock提供的是响应中断锁，那么它便会处理中断，让线程B放弃等待，转而去处理其余事情。

  得到响应中断锁的通常形式以下：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

...........

lock.lockInterruptibly();//获取响应中断锁

try {

//更新对象的状态

//捕获异常，必要时恢复到原来的不变约束

//若是有return语句，放在这里

}finally{

lock.unlock(); //锁必须在finally块中释放

}

3、条件变量实现线程间协做

    在生产者——消费者模型一文中，咱们用synchronized实现互斥，并配合使用Object对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法来实现线程间协做。Java 5以后，咱们能够用Reentrantlock锁配合Condition对象上的await（）和signal（）或signalAll（）方法来实现线程间协做。在ReentrantLock对象上newCondition（）能够获得一个Condition对象，能够经过在Condition上调用await（）方法来挂起一个任务（线程），经过在Condition上调用signal（）来通知任务，从而唤醒一个任务，或者调用signalAll（）来唤醒全部在这个Condition上被其自身挂起的任务。另外，若是使用了公平锁，signalAll（）的与Condition关联的全部任务将以FIFO队列的形式获取锁，若是没有使用公平锁，则获取锁的任务是随机的，这样咱们即可以更好地控制处在await状态的任务获取锁的顺序。与notifyAll（）相比，signalAll（）是更安全的方式。另外，它能够指定唤醒与自身Condition对象绑定在一块儿的任务。Lock和Condition对象只有在更加困难的多线程问题中才是必须的。

读写锁

    另外，synchronized获取的互斥锁不只互斥读写操做、写写操做，还互斥读读操做，而读读操做时不会带来数据竞争的，所以对对读读操做也互斥的话，会下降性能。Java 5中提供了读写锁，它将读锁和写锁分离，使得读读操做不互斥，获取读锁和写锁的通常形式以下：

ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

rwl.writeLock().lock() //获取写锁

rwl.readLock().lock() //获取读锁

   用读锁来锁定读操做，用写锁来锁定写操做，这样写操做和写操做之间会互斥，读操做和写操做之间会互斥，但读操做和读操做就不会互斥。

《Java并发编程实践》一书给出了使用 ReentrantLock的最佳时机：

    当你须要如下高级特性时，才应该使用：可定时的、可轮询的与可中断的锁获取操做，公平队列，或者非块结构的锁。不然，请使用synchronized。