Java中的synchronized和ReentrantLock的区别详细解读

前言

软件并发已经成为现代软件开发的基础能力，而 Java 精心设计的高效并发机制，正是构建大规模应用的基础之一。

本篇博文的重点是，synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别？ 有人说 synchronized 最慢，这话靠谱吗？  

常见回答

synchronized 是 Java 内建的同步机制，所以也有人称其为 Intrinsic Locking，它提供了互斥的语义和可见性，当一个线程已经获取当前锁时，其他试图获取的线程只能等待或者阻塞在那里。

在 Java 5 以前，synchronized 是仅有的同步手段，在代码中， synchronized 可以用来修饰方法，也可以使用在特定的代码块儿上，本质上 synchronized 方法等同于把方法全部语句用 synchronized 块包起来。

ReentrantLock，通常翻译为再入锁，是 Java 5 提供的锁实现，它的语义和 synchronized 基本相同。再入锁通过代码直接调用 lock() 方法获取，代码书写也更加灵活。与此同时，ReentrantLock 提供了很多实用的方法，能够实现很多 synchronized 无法做到的细节控制，比如可以控制 fairness，也就是公平性，或者利用定义条件等。但是，编码中也需要注意，必须要明确调用 unlock() 方法释放，不然就会一直持有该锁。

synchronized 和 ReentrantLock 的性能不能一概而论，早期版本 synchronized 在很多场景下性能相差较大，在后续版本进行了较多改进，在低竞争场景中表现可能优于 ReentrantLock。  

具体分析

对于并发编程，不同公司或者面试官面试风格也不一样，有个别大厂喜欢一直追问你相关机制的扩展或者底层，有的喜欢从实用角度出发，所以你在准备并发编程方面需要一定的耐心。

锁作为并发的基础工具之一，至少需要掌握：

• 理解什么是线程安全。
• synchronized、ReentrantLock 等机制的基本使用与案例。

更进一步，你还需要：

• 掌握 synchronized、ReentrantLock 底层实现；理解锁膨胀、降级；理解偏斜锁、自旋锁、轻量级锁、重量级锁等概念。
• 掌握并发包中 java.util.concurrent.lock 各种不同实现和案例分析。  

实战剖析

首先，我们需要理解什么是线程安全。

在 Brain Goetz 等专家撰写的《Java 并发编程实战》（Java Concurrency in Practice）中，线程安全是一个多线程环境下正确性的概念，也就是保证多线程环境下共享的、可修改的状态的正确性，这里的状态反映在程序中其实可以看作是数据。

换个角度来看，如果状态不是共享的，或者不是可修改的，也就不存在线程安全问题，进而可以推理出保证线程安全的两个办法：

• 封装：通过封装，我们可以将对象内部状态隐藏、保护起来。
• 不可变：final 和 immutable 就是这个道理，Java 语言目前还没有真正意义上的原生不可变，但是未来也许会引入。

线程安全需要保证几个基本特性：

• 原子性，简单说就是相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现。
• 可见性，是一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile 就是负责保证可见性的。
• 有序性，是保证线程内串行语义，避免指令重排等。

可能有点晦涩，那么我们看看下面的代码段，分析一下原子性需求体现在哪里。这个例子通过取两次数值然后进行对比，来模拟两次对共享状态的操作。

你可以编译并执行，可以看到，仅仅是两个线程的低度并发，就非常容易碰到 former 和 latter 不相等的情况。这是因为，在两次取值的过程中，其他线程可能已经修改了 sharedState。

public class ThreadSafeSample {
  public int sharedState;
  public void nonSafeAction() {
      while (sharedState < 100000) {
          int former = sharedState++;
          int latter = sharedState;
          if (former != latter - 1) {
              System.out.printf("Observed data race, former is " +
                      former + ", " + "latter is " + latter);
          }
      }
  }
 
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      ThreadSafeSample sample = new ThreadSafeSample();
      Thread threadA = new Thread(){
          public void run(){
              sample.nonSafeAction();
          }
      };
      Thread threadB = new Thread(){
          public void run(){
              sample.nonSafeAction();
          }
      };
      threadA.start();
      threadB.start();
      threadA.join();
      threadB.join();
  }
}

以下是某次运行结果：

Observed data race, former is 9851, latter is 9853

将两次赋值过程用 synchronized 保护起来，使用 this 作为互斥单元，就可以避免别的线程并发的去修改 sharedState。

synchronized (this) {
  int former = sharedState ++;
  int latter = sharedState;
  // …
}

如果用 javap 反编译，可以看到类似片段，利用 monitorenter/monitorexit 对实现了同步的语义：

11: astore_1
12: monitorenter
13: aload_0
14: dup
15: getfield    #2                // Field sharedState:I
18: dup_x1
…
56: monitorexit

代码中使用 synchronized 非常便利，如果用来修饰静态方法，其等同于利用下面代码将方法体囊括进来：

synchronized (ClassName.class) {}

再来看看 ReentrantLock。你可能好奇什么是再入？它是表示当一个线程试图获取一个它已经获取的锁时，这个获取动作就自动成功，这是对锁获取粒度的一个概念，也就是锁的持有是以线程为单位而不是基于调用次数。Java 锁实现强调再入性是为了和 pthread 的行为进行区分。

再入锁可以设置公平性（fairness），我们可在创建再入锁时选择是否是公平的。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

这里所谓的公平性是指在竞争场景中，当公平性为真时，会倾向于将锁赋予等待时间最久的线程。公平性是减少线程“饥饿”（个别线程长期等待锁，但始终无法获取）情况发生的一个办法。

如果使用 synchronized，我们根本无法进行公平性的选择，其永远是不公平的，这也是主流操作系统线程调度的选择。通用场景中，公平性未必有想象中的那么重要，Java 默认的调度策略很少会导致 “饥饿”发生。与此同时，若要保证公平性则会引入额外开销，自然会导致一定的吞吐量下降。所以，我建议只有当你的程序确实有公平性需要的时候，才有必要指定它。

我们再从日常编码的角度学习下再入锁。为保证锁释放，每一个 lock() 动作，我建议都立即对应一个 try-catch-finally，典型的代码结构如下，这是个良好的习惯。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);// 这里是演示创建公平锁，一般情况不需要。
fairLock.lock();
try {
  // do something
} finally {
   fairLock.unlock();
}

ReentrantLock 相比 synchronized，因为可以像普通对象一样使用，所以可以利用其提供的各种便利方法，进行精细的同步操作，甚至是实现 synchronized 难以表达的用例，如：

• 带超时的获取锁尝试。
• 可以判断是否有线程，或者某个特定线程，在排队等待获取锁。
• 可以响应中断请求。
• ...

这里我特别想强调条件变量（java.util.concurrent.Condition），如果说 ReentrantLock 是 synchronized 的替代选择，Condition 则是将 wait、notify、notifyAll 等操作转化为相应的对象，将复杂而晦涩的同步操作转变为直观可控的对象行为。

条件变量最为典型的应用场景就是标准类库中的 ArrayBlockingQueue 等。

参考下面的源码，首先，通过再入锁获取条件变量：

 
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
 
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
 
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
  if (capacity <= 0)
      throw new IllegalArgumentException();
  this.items = new Object[capacity];
  lock = new ReentrantLock(fair);
  notEmpty = lock.newCondition();
  notFull =  lock.newCondition();
}

两个条件变量是从同一再入锁创建出来，然后使用在特定操作中，如下面的 take 方法，判断和等待条件满足：

public E take() throws InterruptedException {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();
  try {
      while (count == 0)
          notEmpty.await();
      return dequeue();
  } finally {
      lock.unlock();
  }
}

当队列为空时，试图 take 的线程的正确行为应该是等待入队发生，而不是直接返回，这是 BlockingQueue 的语义，使用条件 notEmpty 就可以优雅地实现这一逻辑。

那么，怎么保证入队触发后续 take 操作呢？请看 enqueue 实现：

private void enqueue(E e) {
  // assert lock.isHeldByCurrentThread();
  // assert lock.getHoldCount() == 1;
  // assert items[putIndex] == null;
  final Object[] items = this.items;
  items[putIndex] = e;
  if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
  count++;
  notEmpty.signal(); // 通知等待的线程，非空条件已经满足
}

通过 signal/await 的组合，完成了条件判断和通知等待线程，非常顺畅就完成了状态流转。

注意，signal 和 await 成对调用非常重要，不然假设只有 await 动作，线程会一直等待直到被打断（interrupt）。

从性能角度，synchronized 早期的实现比较低效，对比 ReentrantLock，大多数场景性能都相差较大。

但是在 Java 6 中对其进行了非常多的改进，可以参考性能对比，在高竞争情况下，ReentrantLock 仍然有一定优势。

我在下一讲进行详细分析，会更有助于理解性能差异产生的内在原因。

在大多数情况下，无需纠结于性能，还是考虑代码书写结构的便利性、可维护性等。  

后记

以上就是 Java：synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别呢？ 的所有内容了;

介绍了什么是线程安全，对比和分析了 synchronized 和 ReentrantLock，并针对条件变量等方面结合案例代码进行了介绍。

到此这篇关于Java中的synchronized和ReentrantLock的区别详细解读的文章就介绍到这了,更多相关synchronized和ReentrantLock区别内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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