【併發】線程同步——鎖Lock與synchronized比較

1、簡單使用Lock鎖

    Java 5中引入了新的鎖機制——java.util.concurrent.locks中的顯式的互斥鎖：Lock接口，它提供了比synchronized更加普遍的鎖定操做。Lock接口有3個實現它的類：ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock，即重入鎖、讀鎖和寫鎖。lock必須被顯式地建立、鎖定和釋放，爲了可使用更多的功能，通常用ReentrantLock爲其實例化。爲了保證鎖最終必定會被釋放（可能會有異常發生），要把互斥區放在try語句塊內，並在finally語句塊中釋放鎖，尤爲當有return語句時，return語句必須放在try字句中，以確保unlock（）不會過早發生，從而將數據暴露給第二個任務。所以，採用lock加鎖和釋放鎖的通常形式以下：

Lock lock = new ReentrantLock();//默認使用非公平鎖，若是要使用公平鎖，須要傳入參數true

........

lock.lock();

try {

//更新對象的狀態

//捕獲異常，必要時恢復到原來的不變約束

//若是有return語句，放在這裏

} finally {

lock.unlock(); //鎖必須在finally塊中釋放

}

2、ReetrankLock與synchronized比較

一、性能比較

    在JDK1.5中，synchronized是性能低效的。由於這是一個重量級操做，它對性能最大的影響是阻塞的是實現，掛起線程和恢復線程的操做都須要轉入內核態中完成，這些操做給系統的併發性帶來了很大的壓力。相比之下使用Java提供的Lock對象，性能更高一些。Brian Goetz對這兩種鎖在JDK1.五、單核處理器及雙Xeon處理器環境下作了一組吞吐量對比的實驗，發現多線程環境下，synchronized的吞吐量降低的很是嚴重，而ReentrankLock則能基本保持在同一個比較穩定的水平上。但與其說ReetrantLock性能好，倒不如說synchronized還有很是大的優化餘地，因而到了JDK1.6，發生了變化，對synchronize加入了不少優化措施，有自適應自旋，鎖消除，鎖粗化，輕量級鎖，偏向鎖等等。致使在JDK1.6上synchronize的性能並不比Lock差。官方也表示，他們也更支持synchronize，在將來的版本中還有優化餘地，因此仍是提倡在synchronized能實現需求的狀況下，優先考慮使用synchronized來進行同步。

下面淺析如下兩種鎖機制的底層的實現策略。

    互斥同步最主要的問題就是進行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題，於是這種同步又稱爲阻塞同步，它屬於一種悲觀的併發策略，即線程得到的是獨佔鎖。獨佔鎖意味着其餘線程只能依靠阻塞來等待線程釋放鎖。而在CPU轉換線程阻塞時會引發線程上下文切換，當有不少線程競爭鎖的時候，會引發CPU頻繁的上下文切換致使效率很低。synchronized採用的即是這種併發策略。

    隨着指令集的發展，咱們有了另外一種選擇：基於衝突檢測的樂觀併發策略，通俗地講就是先進性操做，若是沒有其餘線程爭用共享數據，那操做就成功了，若是共享數據被爭用，產生了衝突，那就再進行其餘的補償措施（最多見的補償措施就是不斷地重拾，直到試成功爲止），這種樂觀的併發策略的許多實現都不須要把線程掛起，所以這種同步被稱爲非阻塞同步。ReetrantLock採用的即是這種併發策略。

    在樂觀的併發策略中，須要操做和衝突檢測這兩個步驟具有原子性，它靠硬件指令來保證，這裏用的是CAS操做（Compare and Swap）。JDK1.5以後，Java程序纔可使用CAS操做。咱們能夠進一步研究ReentrantLock的源代碼，會發現其中比較重要的得到鎖的一個方法是compareAndSetState，這裏其實就是調用的CPU提供的特殊指令。現代的CPU提供了指令，能夠自動更新共享數據，並且可以檢測到其餘線程的干擾，而compareAndSet() 就用這些代替了鎖定。這個算法稱做非阻塞算法，意思是一個線程的失敗或者掛起不該該影響其餘線程的失敗或掛起。

    Java 5中引入了注入AutomicInteger、AutomicLong、AutomicReference等特殊的原子性變量類，它們提供的如：compareAndSet（）、incrementAndSet（）和getAndIncrement（）等方法都使用了CAS操做。所以，它們都是由硬件指令來保證的原子方法。

  二、用途比較

    基本語法上，ReentrantLock與synchronized很類似，它們都具有同樣的線程重入特性，只是代碼寫法上有點區別而已，一個表現爲API層面的互斥鎖（Lock），一個表現爲原生語法層面的互斥鎖（synchronized）。ReentrantLock相對synchronized而言仍是增長了一些高級功能，主要有如下三項：

    一、等待可中斷：當持有鎖的線程長期不釋放鎖時，正在等待的線程能夠選擇放棄等待，改成處理其餘事情，它對處理執行時間很是上的同步塊頗有幫助。而在等待由synchronized產生的互斥鎖時，會一直阻塞，是不能被中斷的。

    二、可實現公平鎖：多個線程在等待同一個鎖時，必須按照申請鎖的時間順序排隊等待，而非公平鎖則不保證這點，在鎖釋放時，任何一個等待鎖的線程都有機會得到鎖。synchronized中的鎖時非公平鎖，ReentrantLock默認狀況下也是非公平鎖，但能夠經過構造方法ReentrantLock（ture）來要求使用公平鎖。

    三、鎖能夠綁定多個條件：ReentrantLock對象能夠同時綁定多個Condition對象（名曰：條件變量或條件隊列），而在synchronized中，鎖對象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法能夠實現一個隱含條件，但若是要和多於一個的條件關聯的時候，就不得不額外地添加一個鎖，而ReentrantLock則無需這麼作，只須要屢次調用newCondition（）方法便可。並且咱們還能夠經過綁定Condition對象來判斷當前線程通知的是哪些線程（即與Condition對象綁定在一塊兒的其餘線程）。

三、可中斷鎖

    ReetrantLock有兩種鎖：忽略中斷鎖和響應中斷鎖。忽略中斷鎖與synchronized實現的互斥鎖同樣，不能響應中斷，而響應中斷鎖能夠響應中斷。

    若是某一線程A正在執行鎖中的代碼，另外一線程B正在等待獲取該鎖，可能因爲等待時間過長，線程B不想等待了，想先處理其餘事情，咱們可讓它中斷本身或者在別的線程中中斷它，若是此時ReetrantLock提供的是忽略中斷鎖，則它不會去理會該中斷，而是讓線程B繼續等待，而若是此時ReetrantLock提供的是響應中斷鎖，那麼它便會處理中斷，讓線程B放棄等待，轉而去處理其餘事情。

  得到響應中斷鎖的通常形式以下：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

...........

lock.lockInterruptibly();//獲取響應中斷鎖

try {

//更新對象的狀態

//捕獲異常，必要時恢復到原來的不變約束

//若是有return語句，放在這裏

}finally{

lock.unlock(); //鎖必須在finally塊中釋放

}

3、條件變量實現線程間協做

    在生產者——消費者模型一文中，咱們用synchronized實現互斥，並配合使用Object對象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法來實現線程間協做。Java 5以後，咱們能夠用Reentrantlock鎖配合Condition對象上的await（）和signal（）或signalAll（）方法來實現線程間協做。在ReentrantLock對象上newCondition（）能夠獲得一個Condition對象，能夠經過在Condition上調用await（）方法來掛起一個任務（線程），經過在Condition上調用signal（）來通知任務，從而喚醒一個任務，或者調用signalAll（）來喚醒全部在這個Condition上被其自身掛起的任務。另外，若是使用了公平鎖，signalAll（）的與Condition關聯的全部任務將以FIFO隊列的形式獲取鎖，若是沒有使用公平鎖，則獲取鎖的任務是隨機的，這樣咱們即可以更好地控制處在await狀態的任務獲取鎖的順序。與notifyAll（）相比，signalAll（）是更安全的方式。另外，它能夠指定喚醒與自身Condition對象綁定在一塊兒的任務。Lock和Condition對象只有在更加困難的多線程問題中才是必須的。

讀寫鎖

    另外，synchronized獲取的互斥鎖不只互斥讀寫操做、寫寫操做，還互斥讀讀操做，而讀讀操做時不會帶來數據競爭的，所以對對讀讀操做也互斥的話，會下降性能。Java 5中提供了讀寫鎖，它將讀鎖和寫鎖分離，使得讀讀操做不互斥，獲取讀鎖和寫鎖的通常形式以下：

ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

rwl.writeLock().lock() //獲取寫鎖

rwl.readLock().lock() //獲取讀鎖

   用讀鎖來鎖定讀操做，用寫鎖來鎖定寫操做，這樣寫操做和寫操做之間會互斥，讀操做和寫操做之間會互斥，但讀操做和讀操做就不會互斥。

《Java併發編程實踐》一書給出了使用 ReentrantLock的最佳時機：

    當你須要如下高級特性時，才應該使用：可定時的、可輪詢的與可中斷的鎖獲取操做，公平隊列，或者非塊結構的鎖。不然，請使用synchronized。