【小家java】JUC并发编程之Synchronized和Lock、ReadWriteLock、ReentantLock的使用以及原理剖析(上)

简介: 【小家java】JUC并发编程之Synchronized和Lock、ReadWriteLock、ReentantLock的使用以及原理剖析(上)

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我们很多人在学习多线程开发的时候,一遇到并发问题就是synchronized,相对于当时的我们来说synchronized是这么的神奇而又强大,那个时候我们赋予它一个名字“同步”,也成为了我们解决多线程情况的百试不爽的良药。


但是我们知道synchronized是一把重量级的锁,对效率是不友好的,所以在JDK1.5版本之后,推出了轻量级的锁Lock。但是呢,随着Javs SE 1.6对synchronized进行的各种优化后,synchronized并不会显得那么重了。


因此本文就从这个角度,来分析分析synchronized的原理和使用,也会介绍Lock的使用的。


Synchronized实现原理

Java中每一个对象都可以作为锁,这是synchronized实现同步的基础:


     普通同步方法,锁是当前实例对象


     静态同步方法,锁是当前类的class对象


     同步方法块,锁是括号里面的对象

public class SynchronizedTest {
    public synchronized void test1(){
    }
    public void test2(){
        synchronized (this){
        }
    }
}


我们利用javap工具查看生成的class文件信息来分析Synchronize的实现:


image.png


从上面可以看出,同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现的,同步方法(在这看不出来需要看JVM底层实现)依靠的是方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。


      同步代码块:monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置,monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置,JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联,当且一个monitor被持有之后,他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor所有权,即尝试获取对象的锁;


      同步方法:synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令,在VM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法,而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1,表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象


    JVM规范规定JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现,而方法同步是使用另外一种方式实现的,细节在JVM规范里并没有详细说明,但是方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,而monitorexit是插入到方法结束处和异常处, JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联,当且一个monitor 被持有后,它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时,将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权,即尝试获得对象的锁(CAS Compare and Swap)。


点到即止,咱们不能继续往下研究了。否则太深了,设计到什么自适应锁、自旋锁的东西了。这个有空再专门介绍锁的类别、java对象头之类的。


Synchronized的缺陷


如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待,等待获取锁的线程释放锁,而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况:


 1)获取锁的线程执行完了该代码块,然后线程释放对锁的占有;


 2)线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁


那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,其他线程便只能干巴巴地等待,试想一下,这多么影响程序执行效率。因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间或者能够响应中断),通过Lock就可以办到。


Lock是耕细粒度的锁,可以实现更精细的控制。


Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点:


 1)Lock不是Java语言内置的,synchronized是Java语言的关键字,因此是内置特性。Lock是一个类,通过这个类可以实现同步访问;


 2)Lock和synchronized有一点非常大的不同,采用synchronized不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。

Lock的基本使用


Lock比传统线程模型中的synchronized方式更加面向对象,与生活中的锁类似,锁本身也应该是一个对象。两个线程执行的代码片段要实现同步互斥的效果,它们必须用同一个Lock对象。


它是一个接口,接下来就分析下他的几个方法:

在Lock中声明了四个方法来获取锁:lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly(),下面介绍下区别:


    lock():是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。因此一般来说,使用Lock必须在try{}catch{}块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话,是以下面这种形式去使用的:

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}


      tryLock():有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true,如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则返回false,也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。


     tryLock(long time, TimeUnit unit):和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。所以,一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的:


Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }catch(Exception ex){
     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     } 
}else {
    //如果不能获取锁,则直接做其他事情
}


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