本篇文章總結(jié)關(guān)于多線程編程的一些知識點(diǎn)，這其中兩個重要的部分就是對于synchronized和ReentrantLock的使用和介紹。
一、線程同步問題的產(chǎn)生及解決方案
問題的產(chǎn)生：
Java允許多線程并發(fā)控制，當(dāng)多個線程同時操作一個可共享的資源變量時（如數(shù)據(jù)的增刪改查），將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，相互之間產(chǎn)生沖突。
如下例：假設(shè)有一個賣票系統(tǒng)，一共有100張票，有4個窗口同時賣。
public class Ticket implements Runnable {
// 當(dāng)前擁有的票數(shù)
private int num = 100;
public void run() {
while (true) {
if (num > 0) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
}
// 輸出賣票信息
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ".....sale...." + num--);
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Ticket t = new Ticket();//創(chuàng)建一個線程任務(wù)對象。
//創(chuàng)建4個線程同時賣票
Thread t1 = new Thread(t);
Thread t2 = new Thread(t);
Thread t3 = new Thread(t);
Thread t4 = new Thread(t);
//啟動線程
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
}
輸出部分結(jié)果：
Thread-1.....sale....2
Thread-0.....sale....3
Thread-2.....sale....1
Thread-0.....sale....0
Thread-1.....sale....0
Thread-3.....sale....1
顯然上述結(jié)果是不合理的，對于同一張票進(jìn)行了多次售出。這就是多線程情況下，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)“臟讀”情況。即多個線程訪問余票num時，當(dāng)一個線程獲得余票的數(shù)量，要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行-1的操作之前，其他線程可能已經(jīng)賣出多張票，導(dǎo)致獲得的num不是最新的，然后-1后更新的數(shù)據(jù)就會有誤。這就需要線程同步的實(shí)現(xiàn)了。
問題的解決：
因此加入同步鎖以避免在該線程沒有完成操作之前，被其他線程的調(diào)用，從而保證了該變量的唯一性和準(zhǔn)確性。
一共有兩種鎖，來實(shí)現(xiàn)線程同步問題，分別是：synchronized和ReentrantLock。下面我們就帶著上述問題，看看這兩種鎖是如何解決的。
二、synchronized關(guān)鍵字
1.synchronized簡介
synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：Java中每個對象都可以作為鎖。當(dāng)線程試圖訪問同步代碼時，必須先獲得對象鎖，退出或拋出異常時必須釋放鎖。Synchronzied實(shí)現(xiàn)同步的表現(xiàn)形式分為：代碼塊同步和方法同步。
2.synchronized原理
JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對象來實(shí)現(xiàn)代碼塊同步和方法同步，兩者實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不同。
代碼塊同步：在編譯后通過將monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始處，將monitorexit指令插入到方法結(jié)束處和異常處，通過反編譯字節(jié)碼可以觀察到。任何一個對象都有一個monitor與之關(guān)聯(lián)，線程執(zhí)行monitorenter指令時，會嘗試獲取對象對應(yīng)的monitor的所有權(quán)，即嘗試獲得對象的鎖。
方法同步：synchronized方法在method_info結(jié)構(gòu)有ACC_synchronized標(biāo)記，線程執(zhí)行時會識別該標(biāo)記，獲取對應(yīng)的鎖，實(shí)現(xiàn)方法同步。
兩者雖然實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不同，但本質(zhì)上都是對一個對象的監(jiān)視器（monitor）的獲取。任意一個對象都擁有自己的監(jiān)視器，當(dāng)同步代碼塊或同步方法時，執(zhí)行方法的線程必須先獲得該對象的監(jiān)視器才能進(jìn)入同步塊或同步方法，沒有獲取到監(jiān)視器的線程將會被阻塞，并進(jìn)入同步隊(duì)列，狀態(tài)變?yōu)锽LOCKED。當(dāng)成功獲取監(jiān)視器的線程釋放了鎖后，會喚醒阻塞在同步隊(duì)列的線程，使其重新嘗試對監(jiān)視器的獲取。
對象、監(jiān)視器、同步隊(duì)列和執(zhí)行線程間的關(guān)系如下圖：
3.synchronized的使用場景
①方法同步
public synchronized void method1
鎖住的是該對象,類的其中一個實(shí)例，當(dāng)該對象(僅僅是這一個對象)在不同線程中執(zhí)行這個同步方法時，線程之間會形成互斥。達(dá)到同步效果，但如果不同線程同時對該類的不同對象執(zhí)行這個同步方法時，則線程之間不會形成互斥，因?yàn)樗麄儞碛械氖遣煌逆i。
②代碼塊同步
synchronized(this){ //TODO }
描述同①
③方法同步
public synchronized static void method3
鎖住的是該類，當(dāng)所有該類的對象(多個對象)在不同線程中調(diào)用這個static同步方法時，線程之間會形成互斥，達(dá)到同步效果。
④代碼塊同步
synchronized(Test.class){ //TODO}
同③
⑤代碼塊同步
synchronized(o) {}
這里面的o可以是一個任何Object對象或數(shù)組，并不一定是它本身對象或者類，誰擁有o這個鎖，誰就能夠操作該塊程序代碼。
4.解決線程同步的實(shí)例
針對上述方法，具體的解決方式如下：
public class Ticket implements Runnable {
// 當(dāng)前擁有的票數(shù)
private int num = 100;
public void run() {
while (true) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
}
synchronized (this) {
// 輸出賣票信息
if(num>0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ".....sale...." + num--);
}
}
}
}
}
輸出部分結(jié)果：
Thread-2.....sale....10
Thread-1.....sale....9
Thread-3.....sale....8
Thread-0.....sale....7
Thread-2.....sale....6
Thread-1.....sale....5
Thread-2.....sale....4
Thread-1.....sale....3
Thread-3.....sale....2
Thread-0.....sale....1
可以看出實(shí)現(xiàn)了線程同步。同時改了一下邏輯，在進(jìn)入到同步代碼塊時，先判斷現(xiàn)在是否有沒有票，然后再買票，防止出現(xiàn)沒票還要售出的情況。通過同步代碼塊實(shí)現(xiàn)了線程同步，其他方法也一樣可以實(shí)現(xiàn)該效果。
三、ReentrantLock鎖
1.Lock接口
Lock，鎖對象。在Java中鎖是用來控制多個線程訪問共享資源的方式，一般來說，一個鎖能夠防止多個線程同時訪問共享資源（但有的鎖可以允許多個線程并發(fā)訪問共享資源，比如讀寫鎖，后面我們會分析）。在Lock接口出現(xiàn)之前，Java程序是靠synchronized關(guān)鍵字（后面分析）實(shí)現(xiàn)鎖功能的，而JAVA SE5.0之后并發(fā)包中新增了Lock接口用來實(shí)現(xiàn)鎖的功能，它提供了與synchronized關(guān)鍵字類似的同步功能，只是在使用時需要顯式地獲取和釋放鎖，缺點(diǎn)就是缺少像synchronized那樣隱式獲取釋放鎖的便捷性，但是卻擁有了鎖獲取與釋放的可操作性，可中斷的獲取鎖以及超時獲取鎖等多種synchronized關(guān)鍵字所不具備的同步特性。
Lock接口的主要方法（還有兩個方法比較復(fù)雜，暫不介紹）：
void lock(): 執(zhí)行此方法時, 如果鎖處于空閑狀態(tài), 當(dāng)前線程將獲取到鎖. 相反, 如果鎖已經(jīng)被其他線程持有, 將禁用當(dāng)前線程, 直到當(dāng)前線程獲取到鎖.
boolean tryLock()：如果鎖可用, 則獲取鎖, 并立即返回true, 否則返回false. 該方法和lock()的區(qū)別在于, tryLock()只是"試圖"獲取鎖, 如果鎖不可用, 不會導(dǎo)致當(dāng)前線程被禁用, 當(dāng)前線程仍然繼續(xù)往下執(zhí)行代碼. 而lock()方法則是一定要獲取到鎖, 如果鎖不可用, 就一直等待, 在未獲得鎖之前,當(dāng)前線程并不繼續(xù)向下執(zhí)行. 通常采用如下的代碼形式調(diào)用tryLock()方法:
void unlock()：執(zhí)行此方法時, 當(dāng)前線程將釋放持有的鎖. 鎖只能由持有者釋放, 如果線程并不持有鎖, 卻執(zhí)行該方法, 可能導(dǎo)致異常的發(fā)生.
Condition newCondition()：條件對象，獲取等待通知組件。該組件和當(dāng)前的鎖綁定，當(dāng)前線程只有獲取了鎖，才能調(diào)用該組件的await()方法，而調(diào)用后，當(dāng)前線程將縮放鎖。
ReentrantLock，一個可重入的互斥鎖，它具有與使用synchronized方法和語句所訪問的隱式監(jiān)視器鎖相同的一些基本行為和語義，但功能更強(qiáng)大。（重入鎖后面介紹）
2.ReentrantLock的使用
關(guān)于ReentrantLock的使用很簡單，只需要顯示調(diào)用，獲得同步鎖，釋放同步鎖即可。
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //參數(shù)默認(rèn)false，不公平鎖
.....................
lock.lock(); //如果被其它資源鎖定，會在此等待鎖釋放，達(dá)到暫停的效果
try {
//操作
} finally {
lock.unlock(); //釋放鎖
}
3.解決線程同步的實(shí)例
針對上述方法，具體的解決方式如下：
public class Ticket implements Runnable {
// 當(dāng)前擁有的票數(shù)
private int num = 100;
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run() {
while (true) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
}
lock.lock();
// 輸出賣票信息
if (num > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ".....sale...." + num--);
}
lock.unlock();
}
}
}
四、重入鎖
當(dāng)一個線程得到一個對象后，再次請求該對象鎖時是可以再次得到該對象的鎖的。
具體概念就是：自己可以再次獲取自己的內(nèi)部鎖。
Java里面內(nèi)置鎖(synchronized)和Lock(ReentrantLock)都是可重入的。
public class SynchronizedTest {
public void method1() {
synchronized (SynchronizedTest.class) {
System.out.println("方法1獲得ReentrantTest的鎖運(yùn)行了");
method2();
}
}
public void method2() {
synchronized (SynchronizedTest.class) {
System.out.println("方法1里面調(diào)用的方法2重入鎖,也正常運(yùn)行了");
}
}
public static void main(String[] args) {
new SynchronizedTest().method1();
}
}
上面便是synchronized的重入鎖特性，即調(diào)用method1()方法時，已經(jīng)獲得了鎖，此時內(nèi)部調(diào)用method2()方法時，由于本身已經(jīng)具有該鎖，所以可以再次獲取。
public class ReentrantLockTest {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void method1() {
lock.lock();
try {
System.out.println("方法1獲得ReentrantLock鎖運(yùn)行了");
method2();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void method2() {
lock.lock();
try {
System.out.println("方法1里面調(diào)用的方法2重入ReentrantLock鎖,也正常運(yùn)行了");
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
new ReentrantLockTest().method1();
}
}
上面便是ReentrantLock的重入鎖特性，即調(diào)用method1()方法時，已經(jīng)獲得了鎖，此時內(nèi)部調(diào)用method2()方法時，由于本身已經(jīng)具有該鎖，所以可以再次獲取。
五、公平鎖
CPU在調(diào)度線程的時候是在等待隊(duì)列里隨機(jī)挑選一個線程，由于這種隨機(jī)性所以是無法保證線程先到先得的（synchronized控制的鎖就是這種非公平鎖）。但這樣就會產(chǎn)生饑餓現(xiàn)象，即有些線程（優(yōu)先級較低的線程）可能永遠(yuǎn)也無法獲取CPU的執(zhí)行權(quán)，優(yōu)先級高的線程會不斷的強(qiáng)制它的資源。那么如何解決饑餓問題呢，這就需要公平鎖了。公平鎖可以保證線程按照時間的先后順序執(zhí)行，避免饑餓現(xiàn)象的產(chǎn)生。但公平鎖的效率比較低，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)順序執(zhí)行，需要維護(hù)一個有序隊(duì)列。
ReentrantLock便是一種公平鎖，通過在構(gòu)造方法中傳入true就是公平鎖，傳入false，就是非公平鎖。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
以下是使用公平鎖實(shí)現(xiàn)的效果：
public class LockFairTest implements Runnable{
//創(chuàng)建公平鎖
private static ReentrantLock lock=new ReentrantLock(true);
public void run() {
while(true){
lock.lock();
try{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"獲得鎖");
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
LockFairTest lft=new LockFairTest();
Thread th1=new Thread(lft);
Thread th2=new Thread(lft);
th1.start();
th2.start();
}
}
輸出結(jié)果：
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
Thread-1獲得鎖
Thread-0獲得鎖
這是截取的部分執(zhí)行結(jié)果，分析結(jié)果可看出兩個線程是交替執(zhí)行的，幾乎不會出現(xiàn)同一個線程連續(xù)執(zhí)行多次。
六、synchronized和ReentrantLock的比較
1.區(qū)別：
1）Lock是一個接口，而synchronized是Java中的關(guān)鍵字，synchronized是內(nèi)置的語言實(shí)現(xiàn)；
2）synchronized在發(fā)生異常時，會自動釋放線程占有的鎖，因此不會導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象發(fā)生；而Lock在發(fā)生異常時，如果沒有主動通過unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現(xiàn)象，因此使用Lock時需要在finally塊中釋放鎖；
3）Lock可以讓等待鎖的線程響應(yīng)中斷，而synchronized卻不行，使用synchronized時，等待的線程會一直等待下去，不能夠響應(yīng)中斷；
4）通過Lock可以知道有沒有成功獲取鎖，而synchronized卻無法辦到。
5）Lock可以提高多個線程進(jìn)行讀操作的效率。
總結(jié)：ReentrantLock相比synchronized，增加了一些高級的功能。但也有一定缺陷。
在ReentrantLock類中定義了很多方法，比如：
isFair() //判斷鎖是否是公平鎖
isLocked() //判斷鎖是否被任何線程獲取了
isHeldByCurrentThread() //判斷鎖是否被當(dāng)前線程獲取了
hasQueuedThreads() //判斷是否有線程在等待該鎖
2.兩者在鎖的相關(guān)概念上區(qū)別：
1)可中斷鎖
顧名思義，就是可以相應(yīng)中斷的鎖。
在Java中，synchronized就不是可中斷鎖，而Lock是可中斷鎖。如果某一線程A正在執(zhí)行鎖中的代碼，另一線程B正在等待獲取該鎖，可能由于等待時間過長，線程B不想等待了，想先處理其他事情，我們可以讓它中斷自己或者在別的線程中中斷它，這種就是可中斷鎖。
lockInterruptibly()的用法體現(xiàn)了Lock的可中斷性。
2)公平鎖
公平鎖即盡量以請求鎖的順序來獲取鎖。比如同是有多個線程在等待一個鎖，當(dāng)這個鎖被釋放時，等待時間最久的線程（最先請求的線程）會獲得該鎖（并不是絕對的，大體上是這種順序），這種就是公平鎖。
非公平鎖即無法保證鎖的獲取是按照請求鎖的順序進(jìn)行的。這樣就可能導(dǎo)致某個或者一些線程永遠(yuǎn)獲取不到鎖。
在Java中，synchronized就是非公平鎖，它無法保證等待的線程獲取鎖的順序。ReentrantLock可以設(shè)置成公平鎖。
3)讀寫鎖
讀寫鎖將對一個資源（比如文件）的訪問分成了2個鎖，一個讀鎖和一個寫鎖。
正因?yàn)橛辛俗x寫鎖，才使得多個線程之間的讀操作可以并發(fā)進(jìn)行，不需要同步，而寫操作需要同步進(jìn)行，提高了效率。
ReadWriteLock就是讀寫鎖，它是一個接口，ReentrantReadWriteLock實(shí)現(xiàn)了這個接口。
可以通過readLock()獲取讀鎖，通過writeLock()獲取寫鎖。
4)綁定多個條件
一個ReentrantLock對象可以同時綁定多個Condition對象，而在synchronized中，鎖對象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以實(shí)現(xiàn)一個隱含的條件，如果要和多余一個條件關(guān)聯(lián)的時候，就不得不額外地添加一個鎖，而ReentrantLock則無須這么做，只需要多次調(diào)用new Condition()方法即可。
3.性能比較
在性能上來說，如果競爭資源不激烈，兩者的性能是差不多的，而當(dāng)競爭資源非常激烈時（即有大量線程同時競爭），此時ReentrantLock的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于synchronized。所以說，在具體使用時要根據(jù)適當(dāng)情況選擇。
在JDK1.5中，synchronized是性能低效的。因?yàn)檫@是一個重量級操作，它對性能最大的影響是阻塞的是實(shí)現(xiàn)，掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，這些操作給系統(tǒng)的并發(fā)性帶來了很大的壓力。相比之下使用Java提供的ReentrankLock對象，性能更高一些。到了JDK1.6，發(fā)生了變化，對synchronize加入了很多優(yōu)化措施，有自適應(yīng)自旋，鎖消除，鎖粗化，輕量級鎖，偏向鎖等等。導(dǎo)致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他們也更支持synchronize，在未來的版本中還有優(yōu)化余地，所以還是提倡在synchronized能實(shí)現(xiàn)需求的情況下，優(yōu)先考慮使用synchronized來進(jìn)行同步。
