八、synchronized与ReentrantLock简介

拳布离手2023-09-26 14:01

概念

synchronized与ReentrantLock 都是java多线程编程中的重要工具，可以保证编写出的代码线程安全。 之所以存在多线程不安全，是因为一个变量，在多个线程，多个CPU高速缓存的共同作用下，导致与主内存的缓存不一致，从而导致读写结果达不到预期效果。JMM （Java内存模型）规范中规定了 happends-before原则在某些特定情况下默认了操作的可见性，但是这些特定情况以外的情境下则无法保证，所以JVM中提供了 volatile 和 synchronized 关键字，确保了 对变量操作的可见性。

但 同步关键字 并不能适用于所有的编程场景，于是 ReentrantLock 可重入锁 应运而生。

Synchronized 关键字

它可以修饰的有三：

实例方法

这种情况下，锁定的是当前的实例对象，也就是说，只有同一个对象调用这个方法，才会有互斥效果。不同实例之间没有互斥效果。

java 复制代码 
// SynchronizedTest类
public class SynchronizedTest {

    public synchronized void test() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--> " + i);
            try {
                Thread.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}


// main类
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest s1 = new SynchronizedTest();
        SynchronizedTest s2 = new SynchronizedTest();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s1.test();
            }

        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s2.test();
            }

        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

打印结果为：

java 复制代码 
Thread-0--> 0
Thread-1--> 0
Thread-0--> 1
Thread-1--> 1
Thread-0--> 2
Thread-1--> 2
Thread-0--> 3
Thread-1--> 3
Thread-0--> 4
Thread-1--> 4
Thread-0--> 5
Thread-1--> 5
Thread-1--> 6
Thread-0--> 6
Thread-0--> 7
Thread-1--> 7
Thread-0--> 8
Thread-1--> 8
Thread-0--> 9
Thread-1--> 9

可以看出，两个线程分别完整打印了0到9。 这是因为他们持有的是两个不同的锁对象（即2个不同的SynchronizedTest实例）而如果他们持有的是同一个锁，那么只有在一个线程释放锁之后，另一个线程才能持有锁。

代码稍作修改：

java 复制代码 
// SynchronizedTest类
public class SynchronizedTest {

    public synchronized void test() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--> " + i);
            try {
                Thread.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}


// main类
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest s1 = new SynchronizedTest();
        SynchronizedTest s2 = new SynchronizedTest();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s1.test();
            }

        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s1.test(); // 都使用s1对象
            }

        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

那么，打印的结果将会是：

java 复制代码 
Thread-0--> 0
Thread-0--> 1
Thread-0--> 2
Thread-0--> 3
Thread-0--> 4
Thread-0--> 5
Thread-0--> 6
Thread-0--> 7
Thread-0--> 8
Thread-0--> 9
Thread-1--> 0
Thread-1--> 1
Thread-1--> 2
Thread-1--> 3
Thread-1--> 4
Thread-1--> 5
Thread-1--> 6
Thread-1--> 7
Thread-1--> 8
Thread-1--> 9

交替打印，符合期望。

静态方法

锁对象为当前的class对象，也就是说，与对象无关了，只要是同一个类，就有互斥效果。

稍作修改,将 test方法改为静态的：

java 复制代码 
// SynchronizedTest类
public class SynchronizedTest {

    public static synchronized void test() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--> " + i);
            try {
                Thread.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}


// main类
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest s1 = new SynchronizedTest();
        SynchronizedTest s2 = new SynchronizedTest();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s1.test();
            }

        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s2.test();
            }

        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

打印结果也是两个线程 ，一个打印完了，另一个才开始打印。

java 复制代码 
Thread-0--> 0
Thread-0--> 1
Thread-0--> 2
Thread-0--> 3
Thread-0--> 4
Thread-0--> 5
Thread-0--> 6
Thread-0--> 7
Thread-0--> 8
Thread-0--> 9
Thread-1--> 0
Thread-1--> 1
Thread-1--> 2
Thread-1--> 3
Thread-1--> 4
Thread-1--> 5
Thread-1--> 6
Thread-1--> 7
Thread-1--> 8
Thread-1--> 9

实例代码块

如果修饰的是代码块的话，那么锁对象，就是跟随在 synchronized后面的对象：

java 复制代码 
public class SynchronizedTest {

    private static Object lock = new Object();

    public void test() {
        synchronized (lock) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--> " + i);
                try {
                    Thread.sleep(300);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest s1 = new SynchronizedTest();
        SynchronizedTest s2 = new SynchronizedTest();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s1.test();
            }

        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s2.test();
            }

        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

上面的代码中，我指定了锁对象为一个静态对象，这种效果就和 直接synchronized修饰方法类似了。效果也一样：

lua 复制代码 
```java
Thread-0--> 0
Thread-0--> 1
Thread-0--> 2
Thread-0--> 3
Thread-0--> 4
Thread-0--> 5
Thread-0--> 6
Thread-0--> 7
Thread-0--> 8
Thread-0--> 9
Thread-1--> 0
Thread-1--> 1
Thread-1--> 2
Thread-1--> 3
Thread-1--> 4
Thread-1--> 5
Thread-1--> 6
Thread-1--> 7
Thread-1--> 8
Thread-1--> 9

而如果我不想用静态变量作为锁，又想达到上面同样的效果，那么就可以用 同一个SynchronizedTest来执行test方法：

java 复制代码 
public class SynchronizedTest {

    private Object lock = new Object();

    public void test() {
        synchronized (lock) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--> " + i);
                try {
                    Thread.sleep(300);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest s1 = new SynchronizedTest();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s1.test();
            }

        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                s1.test();
            }

        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

字节码细节

修饰代码块

当synchronized修饰代码块时，比如如下代码：

java 复制代码 
public class Foo{
    private int number;
    public void test1(){
        int i = 0;
        synchronized(this){
            number = i+1;
        }
    }
}

javac先编译出他的 class文件，在用javap -c 反编译字节码，看到它的字节码内容如下：

java 复制代码 
public class com.example.Foo {
  public com.example.Foo();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void test1();
    Code:
       0: iconst_0
       1: istore_1
       2: aload_0
       3: dup
       4: astore_2
       5: monitorenter  // 看这里
       6: aload_0
       7: iload_1
       8: iconst_1
       9: iadd
      10: putfield      #2                  // Field number:I
      13: aload_2
      14: monitorexit  // 看这里
      15: goto          23
      18: astore_3
      19: aload_2
      20: monitorexit // 看这里
      21: aload_3
      22: athrow
      23: return
    Exception table:
       from    to  target type
           6    15    18   any
          18    21    18   any
}

上面可以看到 上面的23个字节码指令中， 有1个 monitorenter 和 2个monitorexit 指令。

一个enter 通常对应一个 exit，可是为什么这里多出来一个呢？ 这是由于，虚拟机必须保证，在程序发生异常时，锁也能正常释放。

修饰方法时

源代码

java 复制代码 
package com.example;

public class Foo {

    private int number;

    public synchronized void test1() {
        int i = 0;
        number = i + 1;
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public class com.example.Foo {
  public com.example.Foo();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public synchronized void test1();
    Code:
       0: iconst_0
       1: istore_1
       2: aload_0
       3: iload_1
       4: iconst_1
       5: iadd
       6: putfield      #2                  // Field number:I
       9: return
}

字节码中，直接在 方法上加上了 synchronized ，这种情况下，没有显式的 monitorenter 和 monitorexit，而是会默认在 方法的开始和结束上分别添加 monitorenter 和 monitorexit。

monitorenter 和 monitorexit

这两个指令都涉及到了 monitor，它可以解释为一把具体的锁，它保存了两个重要的属性， 一个是 计数器，表示当前线程一共访问了几次这个锁 一个是 指针，指向持有当前锁的线程

上图表示了monitor的工作流程，当一个线程执行 enter指令时，monitor的计数器+1，同时，指针指向这个线程。 当一个线程执行 exit时，计数器-1，指针清零，不指向任何线程。

ReentrantLock 可重入锁

基本使用

java 复制代码 
package com.example;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Main {

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {

        Main main = new Main();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable(){

            @Override
            public void run() {
                main.printLog();
            }
            
        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable(){

            @Override
            public void run() {
                main.printLog();
            }
            
        });

        t1.start();
        t2.start();

    }

    private void printLog() {
        try {
            lock.lock();

            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + i);
            }

        } catch (Exception e) {

        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

打印结果：

java 复制代码 
Thread-0->0
Thread-0->1
Thread-0->2
Thread-0->3
Thread-0->4
Thread-1->0
Thread-1->1
Thread-1->2
Thread-1->3
Thread-1->4

第一个线程持有了所，在执行完循环打印之后才释放锁，然后才轮到第二个线程来持有。也能达到与 synchronize一样的效果。

但是注意一个细节： 释放锁的操作， 放在了 try 代码块的 finally中 ，这是为了在程序发生异常时也能正常释放锁。

公平锁

以下是 ReentrantLock的部分源代码：

java 复制代码 
    /**
     * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
     * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
     */
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    /**
     * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
     * given fairness policy.
     *
     * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
     */
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

可以看到有个构造函数的重载，其中有一个带入参：fair，我们用默认的无参构造函数会创建出一个非公平锁，如果传入true作为参数，那么就是创建出一个公平锁。

如下代码：

java 复制代码 
package com.example;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Main {

    private int shareInt = 0;

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

    private void printLog() {

        while (shareInt < 20) {
            lock.lock();
            try {

                shareInt++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + (shareInt));

            } catch (Exception e) {

            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        Main main = new Main();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                main.printLog();
            }

        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                main.printLog();
            }

        });

        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                main.printLog();
            }

        });

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }

}

公平锁的效果为：顾名思义，对于每一个线程，这把锁都是公平对待的。在多个线程请求锁的时候，按照他们发出请求的顺序来获得锁，公平锁会维护一个等待队列，新的线层会按照排队顺序来进行（获得锁，执行代码，释放锁）3个过程。

与之相对的就是默认的非公平锁，不会按照线程请求的顺序来获得锁，非公平锁可以通过插队机制，允许后来先到，从而提高整体的吞吐量。

两者的区别是，公平锁可以保证了请求锁的顺序和获得锁的顺序相同，带来的不良后果是，CPU会在多个线程中来回切换，算是牺牲了性能。非公平锁则没有排队机制，减少了 CPU来回切换，但是有可能导致某些线程长时间等到。 总之这两种锁，用于两种不同的业务场景，各有千秋。

读写锁

业务开发中，经常遇到 多个线程共享一个用于缓存的数据结构，比如 一个可能会随着app运行而膨胀的map，某些操作会往这个map中添加一个键值对，另一些操作则只会去从map中获取某一个key对应的value。

并且大部分情况下，是读的操作多，写的操作少。这种情况下，就要求 写的操作一定要对读的操作可见。

这是典型的生产消费者模型，消费必须以已经存在的产品作为前提，如果没有产品了，消费就会等待。

ReentrantLock提供了一个读写锁可以解决此场景下的代码写法。 如果没有这个读写锁，我们的写法可能是利用 线程的wait和notify（等待通知机制）来手动控制。

但是今天有了读写锁，则可以优化成以下写法：

java 复制代码 
package com.example;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class Main {

    private static int shareInt = 0;

    static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    static class Reader implements Runnable {

        @Override
        public void run() {

            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();
                try {
                    readLock.lock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + shareInt);
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    readLock.unlock();
                }
            }

        }

    }

    static class Writer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 7; i += 2) {
                ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();
                try {
                    writeLock.lock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -正在写入 " + shareInt);
                    Thread.sleep(200);
                    shareInt += 2;

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    writeLock.unlock();
                }
            }
        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread(new Reader(), "读线程1");
        Thread t2 = new Thread(new Reader(), "读线程2");
        Thread t3 = new Thread(new Writer(), "写线程");

        t1.start();
        t3.start();
        t2.start();

    }

}

注意几个细节：

  • shareInt为模拟的共享数据，模拟的是 必须等写入完成之后，读的操作才能继续
  • 创建了2个读线程和1个写线程
  • 无论是读还是写，都要先获取对应的锁，操作完成之后再释放锁

运行的结果为：

java 复制代码 
读线程1 - 0
读线程2 - 0
写线程 -正在写入 0
写线程 -正在写入 2
写线程 -正在写入 4
写线程 -正在写入 6
读线程1 - 8
读线程2 - 8
读线程1 - 8
读线程2 - 8
读线程1 - 8
读线程2 - 8
读线程2 - 8
读线程1 - 8
读线程2 - 8
读线程1 - 8
读线程2 - 8
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可以看到，当写操作在进行时，写操作都在等待，直到写操作释放了写锁，这样就保证了 后续的读操作都是取的最新的共享变量的值。

总结

Java中两种保证线程同步的方式，synchronize 、 ReentrantLock 都能保证线程安全。

前者 由JVM自动完成加锁和释放锁的操作，而后者的加锁释放锁都需要开发者手动编码，显然后者在复杂的业务场景中更加实用，公平锁和读写锁都各自解决了一部分典型的应用场景问题。

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