深入理解java内置锁(synchronized)和显式锁(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。

 

JDK1.5中，synchronized是性能低效的。因为这是一个重量级操作，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作都需要转入内核态中完成，这些操作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。多线程环境下，synchronized的吞吐量下降的非常严重，而ReentrankLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。

 

到了JDK1.6，发生了变化，对synchronize加入了很多优化措施，有自适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他们也更支持synchronize，在未来的版本中还有优化余地，所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下，优先考虑使用synchronized来进行同步。

 

内置锁

 

// 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：

1）当synchronized作用于普通方法是，锁对象是this；

2）当synchronized作用于静态方法是，锁对象是当前类的Class对象；

3）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：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；

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；

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。

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。

底层实现

1.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，因而这种同步又称为阻塞同步，它属于一种悲观的并发策略，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他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起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。synchronized采用的便是这种并发策略。

2.随着指令集的发展，我们有了另一种选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地讲就是先进性操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了，如果共享数据被争用，产生了冲突，那就再进行其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到试成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步被称为非阻塞同步。ReetrantLock采用的便是这种并发策略。

3.在乐观的并发策略中，需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，它靠硬件指令来保证，这里用的是CAS操作（Compare and Swap）。JDK1.5之后，Java程序才可以使用CAS操作。我们可以进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是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，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而compareAndSet() 就用这些代替了锁定。这个算法称作非阻塞算法，意思是一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起。

Java 5中引入了注入AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference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操作。因此，它们都是由硬件指令来保证的原子方法。

用途比较

基本语法上，ReentrantLock与synchronized很相似，它们都具备一样的线程重入特性，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（JVM）层面的互斥锁（synchronized）。ReentrantLock相对synchronized而言还是增加了一些高级功能，主要有以下三项：

1、等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，它对处理执行时间非常上的同步块很有帮助。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。

2、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获得锁。synchronized中的锁是非公平锁，ReentrantLock默认情况下也是非公平锁，但可以通过构造方法ReentrantLock（ture）来要求使用公平锁。

3、锁可以绑定多个条件：ReentrantLock对象可以同时绑定多个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()方法可以实现一个隐含条件，但如果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则无需这么做，只需要多次调用newCondition() 方法即可。而且我们还可以通过绑定Condition对象来判断当前线程通知的是哪些线程（即与Condition对象绑定在一起的其他线程）。