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大道至简
Java进阶-synchronized和ReentrantLock有什么区别呢?

典型回答

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。

考点分析

今天的题目是考察并发编程的常见基础题,我给出的典型回答算是一个相对全面的总结。

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。

我认为,锁作为并发的基础工具之一,你至少需要掌握:

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

更近一步,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。

知识扩展

专栏前面几期穿插了一些并发的概念,有同学反馈理解起来有点困难,尤其对一些并发相关概念比较陌生,所以在这一讲,我也对会一些基础的概念进行补充。

首先,我们需要理解什么是线程安全。

我建议阅读 Brain Goetz 等专家撰写的《Java 并发编程实战》(Java Concurrency in Practice),虽然可能稍显学究,但不可否认这是一本非常系统和全面的 Java 并发编程书籍。按照其中的定义,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:还记得我们在专栏第 3 讲强调的 final 和 immutable 吗,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();
  }
}

下面是在我的电脑上的运行结果:

C:\>c:\jdk-9\bin\java ThreadSafeSample
Observed data race, former is 13097, latter is 13099

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

我会在下一讲,对 synchronized 和其他锁实现的更多底层细节进行深入分析。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) {}

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。

我们参考下面的源码,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。

今天,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。下一讲,我将对锁的进阶内容进行源码和案例分析。