一文帶你搞懂Java中Synchronized和Lock的原理與使用

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1、Synchronized與Lock對比

  • 實現方式：Synchronized是Java語言內置的關鍵字，而Lock是一個Java接口。
  • 鎖的獲取和釋放：Synchronized是隱式獲取和釋放鎖，由Java虛擬機自動完成；而Lock需要顯式地調用lock()方法獲取鎖，並且必須在finally塊中調用unlock()方法來釋放鎖。
  • 可中斷性：在獲取鎖的過程中，如果線程被中斷，synchronized會拋出InterruptedException異常並且自動釋放鎖，而Lock則需要手動捕獲InterruptedException異常並處理，同時也支持非阻塞、可輪詢以及定時獲取鎖的方式。
  • 公平性：Synchronized不保證線程獲取鎖的公平性，而Lock可以通過構造函數指定公平或非公平鎖。
  • 鎖狀態：Synchronized無法判斷鎖的狀態，而Lock可以通過tryLock()、isLocked()來判斷鎖的狀態(線程是否可能取到鎖、鎖是否被占用等)。
  • 粒度：Synchronized鎖的粒度較粗，隻能鎖住整個方法或代碼塊，而Lock可以細粒度地控制鎖的范圍，比如鎖某個對象的部分屬性。
  • 場景：如果在簡單的並發場景下，推薦使用Synchronized；而在需要更高級的鎖控制時，可以考慮使用Lock。

一般情況建議使用Synchronized，在JDK1.5之前Lock優於Synchronized，但在JDK1.5之後對Synchronized進行瞭優化，後面在性能方面基本與Lock一樣且使用簡單(有作者說"Synchronized是親生的，JDK還是會一直優化他不會讓Lock優於它")。

2、Synchronized與Lock原理

2.1 Synchronized原理

Synchronized是Java語言中最常用的同步機制之一，它可以確保多個線程訪問共享資源時的互斥性和可見性。Synchronized關鍵字的原理如下：

  • Synchronized使用瞭內置鎖（也稱為監視器鎖）來實現同步。每個Java對象都有一個內置鎖，當該對象作為鎖被獲取時，其他試圖獲取該鎖的線程會被阻塞，直到該鎖被釋放。
  • Synchronized的鎖是與對象相關聯的。當一個線程進入Synchronized代碼塊時，它必須先獲取該對象的鎖才能執行代碼，否則就會被阻塞。當該線程退出Synchronized代碼塊時，它會自動釋放該對象的鎖。
  • Synchronized具有可重入性。如果當前線程已經獲得瞭某個對象的鎖，那麼它可以繼續訪問該對象的其他Synchronized代碼塊，而不會被自己持有的鎖所阻塞。
  • Synchronized還具有volatile變量的讀寫語義。在使用Synchronized關鍵字時，內存屏障會確保本地線程中修改過的變量值被刷新回主內存，從而保證瞭多個線程之間對變量修改的可見性。

Synchronized通過使用內置鎖、與對象關聯的鎖、可重入性以及內存屏障等機制來實現線程的同步和鎖的管理，以保證對共享資源的訪問具有互斥性和可見性。

2.2 Lock原理

Lock是Java語言中的一種高級同步機制，它提供瞭比Synchronized更加靈活和可擴展的同步特性。Lock機制的原理如下：

  • Lock使用瞭對象的鎖來實現同步。每個Lock對象都有一個鎖，當該鎖被獲取時，其他試圖獲取該鎖的線程會被阻塞，直到該鎖被釋放。
  • Lock的鎖是與對象無關的。相比於Synchronized關鍵字，Lock提供瞭更加靈活的方式來控制鎖的獲取和釋放。例如，它支持可中斷的獲取鎖操作、超時獲取鎖操作等等。因此，在需要手動控制鎖的獲取和釋放時，Lock是一個很好的選擇。
  • Lock還具有可重入性。如果當前線程已經獲得瞭某個Lock對象的鎖，那麼它可以繼續訪問該對象的其他Lock代碼塊，而不會被自己持有的鎖所阻塞。
  • Lock使用瞭條件變量來實現線程的等待和通知。Condition接口提供瞭await()、signal()和signalAll()等方法，用於線程之間的等待和通知，從而避免瞭Object類中wait()和notify()方法可能出現的信號丟失問題。

Lock通過使用對象的鎖、與對象無關的鎖、可重入性以及條件變量等機制來實現線程的同步和鎖的管理，以保證對共享資源的訪問具有互斥性和可見性。與Synchronized關鍵字相比，Lock提供瞭更加靈活和可擴展的同步特性，但也需要更多的代碼來控制鎖的獲取和釋放。

3、Synchronized與Lock使用

下面分別給出Synchronized和Lock的使用示例。

Synchronized

    public class Counter {
        private int count;

        public synchronized void increment() {
            count++;
        }
    }

上述代碼定義瞭一個計數器類Counter，方法都使用瞭synchronized關鍵字來實現線程同步。

Lock

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Counter {
    private int count;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

上述代碼也是定義瞭一個計數器類Counter，但是使用的是Lock接口來實現線程同步。在這種情況下，需要先創建一個ReentrantLock對象，然後在需要同步的代碼塊中調用lock()方法獲取鎖，在finally塊中調用unlock()方法釋放鎖。

總的來說，Synchronized更加簡單易用，適合用於一些簡單的並發場景；而Lock提供瞭更多的靈活性和可擴展性，適合用於一些復雜的並發場景。

4、相關問題

1）Synchronized和Lock有什麼區別？

  • 實現方式：Synchronized是Java內置的關鍵字，而Lock是一個接口。
  • 鎖的獲取和釋放：Synchronized的獲取和釋放鎖由JVM自動完成，而Lock需要手動調用lock()方法獲取鎖並在finally塊中調用unlock()方法釋放鎖。
  • 可中斷性：如果線程在獲取鎖的過程中被中斷，Synchronized會拋出InterruptedException異常並自動釋放鎖，而Lock需要手動處理這種情況。
  • 公平性：Synchronized不保證公平性，而Lock可以通過構造函數指定公平或非公平鎖。
  • 粒度：Synchronized鎖的粒度比較粗，隻能鎖住整個方法或代碼塊，而Lock可以細粒度地控制鎖的范圍。

2）Synchronized的實現原理是什麼？

Synchronized是基於Java對象頭的監視器（Monitor）實現的。每個Java對象都有一個監視器，同步塊的進入和退出需要獲取和釋放對象的監視器。當線程嘗試進入一個被鎖住的同步塊時，它會先嘗試獲取對象的監視器鎖，如果鎖已經被占用，線程就會進入阻塞狀態，直到鎖被釋放。

3）Lock的實現原理是什麼？

Lock的實現是基於Java的AbstractQueuedSynchronizer（AQS）框架的。Lock接口定義瞭多個獲取和釋放鎖的方法，其中比較重要的是lock()和unlock()方法。當一個線程調用lock()方法獲取鎖時，如果鎖未被占用，則該線程會占用鎖並繼續執行；否則，該線程會進入阻塞狀態，直到鎖被釋放。當一個線程調用unlock()方法釋放鎖時，會通知等待隊列中的其他線程繼續嘗試獲取鎖。

4）什麼是可重入鎖？

可重入鎖指的是同一個線程在持有鎖的情況下，能夠再次獲取該鎖，而不會導致死鎖。Synchronized和ReentrantLock都是可重入鎖。可重入鎖通過記錄持有鎖的線程和重入次數，來避免死鎖的發生。

5）ReentrantLock為什麼比Synchronized更靈活？

ReentrantLock比Synchronized更靈活主要因為它提供瞭以下功能：

  • 可以指定公平鎖或非公平鎖。
  • 支持獲取鎖的超時時間。
  • 支持可中斷的獲取鎖操作。
  • 可以通過tryLock()方法嘗試獲取鎖，如果鎖已經被占用，則返回false。
  • 支持多個Condition對象，可以讓線程在不同的條件下等待和喚醒。

6）什麼是鎖自旋？

鎖自旋是一種優化鎖競爭的技術，它用於減少線程在獲取鎖時的等待時間。當一個線程請求獲取某個對象的鎖時，如果此時鎖已經被其他線程占用，那麼該線程會進入阻塞狀態等待鎖的釋放。而使用鎖自旋技術，線程在發現鎖被其他線程占用時，並不會立即進入阻塞狀態，而是執行一段循環代碼（稱為自旋），等待鎖的持有者釋放鎖。

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