[Java] [Lock] [Synchronized VS ReentrantLock]

Overview

• java编写多线程程序时，为了保证线程安全，需要对数据进行同步，经常用到的两种同步方式就是synchronized和重入锁ReentrantLock。

相似点

• 都是加锁方式
• 都是阻塞式同步。即若一个线程获得了对象锁，进入了同步块，其他访问该同步块的线程都必须阻塞在同步块外等待，而进行线程阻塞和唤醒的代价是比较高的(os需要在用户态和内核态之间来回切换)。

区别

• synchronized是java语言的关键字，是原生语法层面的互斥，需要jvm实现；而ReentrantLock是JDK1.5之后提供的API层面的互斥锁，需要lock()和unlock()方法配合try/finnally语句块来完成。

Synchronized

• synchronized通过编译，会在同步块前后分别形成menitorenter和monitorexit这两个字节码。
• 在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象锁。如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象锁，把锁的计算器加1，相应的mointorexit的时候减1。
• 当计数器间到0时，锁就被释放了。
• 如果对象获取锁失败，那么当前就要阻塞，直到对象锁被另一个线程释放为止。
• synchronized的重要特性：
  • 把代码块声明为synchronized会使代码块具有原子性(即一个线程一次只能执行由一个指定lock保护的代码，从而防止多个线程在更新共享状态时互相冲突)和可见性(用来对付内存缓存和编译器优化的各种反常行为)。

• synchronized存在的不足：
  • 无法中断一个正在等候获得锁的线程；
  • 无法通过轮询来得到锁；
  • 同步锁的释放只能在与获得锁所在的堆栈帧相同的堆栈帧中进行。

ReentrantLock

• ReentrantLock是java.util.concurrent包下提供的一套互斥锁，相比synchronized，提供了一些高级功能：
  • 等待可中断：持有锁的线程长期不释放时，正在等待的线程可以选择放弃等待。这相对于Synchronized来说可以避免出现死锁的情况；
  • 可支持公平锁：公平锁，即多个线程等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序获得锁。synchronized锁是非公平锁；
  • 锁绑定多个条件：一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个对象。
• ReentrantLock的demo usage:
  注意锁必须在finnally块中释放，否则当受保护的代码抛出异常时，锁可能永远得不到释放。

  public class SynDemo {
    public static void main(String[] args) {
      Runnable t1 = new MyThread();
      new Thread(t1, "t1").start();
      new Thread(t2, "t2").start();
    }
  }
  
  class MyThread implements Runnable {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void run() {
      lock.lock();
      try {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
          System.out.println(Thread.currentThread.getName() + ":" + i);
        }
      } finally {
        lock.unlock();
      }
    }
  }

• 因为ReentrantLock是lock的一个抽象，是一个Java类，而不是语言的特性。这就为Lock的多种实现留下了空间，各种实现可能有不同的调度算法、性能特性或者锁定语义。
• ReentrantLock拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，但是添加了类似轮询锁、定时锁等候和可中断等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下的更佳性能。
• reentrant意味着什么呢？简单来说，它有一个与锁相关的获取计数器，如果拥有锁的某个线程再次得到锁，那么获取计数器就加1，然后锁需要被释放两次才能获得真正释放。这模仿了 synchronized 的语义；如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块，就允许线程继续进行，当线程退出第二个（或者后续） synchronized 块的时候，不释放锁，只有线程退出它进入的监控器保护的第一个 synchronized 块时，才释放锁。
• 这些也不意味着reentrantLock可以完全取代synchronized：使用sychronized时不可能忘记释放锁；当JVM用 synchronized 管理锁定请求和释放时，JVM 在生成线程转储时能够包括锁定信息，这些对调试非常有价值，因为它们能标识死锁或者其他异常行为的来源。相比之下， Lock 类只是普通的类，JVM 不知道具体哪个线程拥有 Lock 对象。
• 什么时候用ReentrantLock代替synchronized：在需要ReentrantLock独有的特性（时间锁等候、可中断锁等候、无块结构锁、多个条件变量或者轮询锁）或者是在高度争用的情况下（ReentrantLock具有可伸缩性）使用。

公平锁

• 公平是好事，但是保证公平需要很大的性能成本。
• 要确保公平所需要的记账(bookkeeping)和同步，就意味着被争夺的公平锁要比不公平锁的吞吐率更低。
• synchronized永远是不公平的。但JVM保证了所有线程最终都会得到它们所等候的锁，这意味着统计上的公平。