Java synchronized 和 ReentrantLock

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一、synchronized 和 ReentrantLock 实现原理

• 在 JDK-1.5 之前，共享对象的协调机制只有 synchronized 和 volatile。
• 在 JDK-1.5 中增加了新的机制 ReentrantLock。
• 该机制的诞生并不是为了替代 synchronized，而是在 synchronized 不适用的情况下，提供一种可以选择的高级功能。

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1. synchronized 悲观锁

• synchronized 属于独占式 悲观锁。

1. 通过 JVM 隐式实现的，synchronized 只允许同一时刻只有一个线程操作资源。
2. 在 Java 中每个对象都隐式包含一个 monitor（监视器对象）
3. 加锁的过程，其实就是竞争 monitor 的过程。

1. 当线程进入字节码 monitorenter 指令之后，线程将持有 monitor 对象。
2. 执行 monitorexit 时，释放 monitor 对象。
3. 当其他线程没有拿到 monitor 对象时，则需要阻塞等待获取该对象。

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2. ReentrantLock

• ReentrantLock 是 Lock 的默认实现方式之一。

1. 它是基于 AQS（Abstract Queued Synchronizer，队列同步器）实现的。
2. 它默认是通过 非公平锁 实现的，在它的内部有一个 state 的状态字段，用于表示锁是否被占用。

1. 如果是 0 则表示锁未被占用，此时线程就可以把 state 改为 1，并成功获得锁。
2. 而其他未获得锁的线程只能去排队等待获取锁资源。

• synchronized 和 ReentrantLock 都提供了锁的功能。

1. 具备 互斥性 和 不可见性。
2. 在 JDK-1.5 中 synchronized 的性能远远低于 ReentrantLock。
3. 但在 JDK-1.6 之后，synchronized 的性能略低于 ReentrantLock。

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二、synchronized 和 ReentrantLock 区别

1. synchronized 是 JVM 隐式实现的，而 ReentrantLock 是 Java 语言提供的 API。
2. ReentrantLock 可设置为公平锁，而 synchronized 却不行。
3. ReentrantLock 只能修饰代码块，而 synchronized 可以用于修饰方法、修饰代码块等。
4. ReentrantLock 需要手动加锁和释放锁，如果忘记释放锁，则会造成资源被永久占用，而 synchronized 无需手动释放锁
5. ReentrantLock 可以知道是否成功获得了锁，而 synchronized 却不行。

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三、知识扩展

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1. ReentrantLock 源码

• 无参的构造函数，创建了一个非公平锁。
• 用户也可以根据第二个构造函数，设置一个 boolean 类型的值，来决定是否使用公平锁来实现线程的调度。

private final Sync sync;
// 可重入锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();// 非公平锁
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

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1.1 公平锁 VS 非公平锁

• 公平锁 的含义是线程需要按照请求的顺序来获得锁。
• 而 非公平锁 则允许"插队"的情况存在。

1. 所谓的 插队 指的是，线程在发送请求的同时，该锁的状态恰好变成了可用。
2. 那么此线程就可以跳过队列中所有排队的线程直接拥有该锁。

• 公平锁 由于有挂起和恢复所以存在一定的开销。
• 因此性能不如 非公平锁。

1. 所以 ReentrantLock 和 synchronized 默认都是非公平锁的实现方式。

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• ReentrantLock 是通过 lock() 来获取锁，并通过 unlock() 释放锁。

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2. lock() 获取锁

• ReentrantLock 中的 lock() 是通过 sync.lock() 实现的。
• 但 Sync 类中的 lock() 是一个抽象方法，需要子类 NonfairSync 或 FairSync 去实现。

@Test
public void test2() {
    Lock lock = new ReentrantLock();try {
    lock.lock();// 加锁// ......业务处理} finally {
    lock.unlock();// 释放锁}
}

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2.1 NonfairSync.lock() 非公平锁源码

/*** 执行锁定。尝试立即进行驳船，并在出现故障时备份到正常状态。*/
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))// 将当前线程设置为此锁的持有者setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());elseacquire(1);
}

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2.2 FairSync.lock() 公平锁源码

final void lock() {
    acquire(1);
}

• 可以看出 非公平锁 比 公平锁 只是多了一行 compareAndSetState() 方法。

1. 该方法是尝试将 state 值由 0 置换为 1。
2. 如果设置成功的话，则说明当前没有其他线程持有该锁，不用再去排队了，可直接占用该锁。
3. 否则，则需要通过 acquire() 方法去排队。

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2.3 acquire() 排队获取锁

// AbstractQueuedSynchronizer
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}

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2.4 NonfairSync.tryAcquire() 非公平锁尝试获取锁

• tryAcquire() 方法尝试获取锁。

1. 如果获取锁失败，则把它加入到阻塞队列中。

// NonfairSync
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

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2.5 FairSync.tryAcquire() 公平锁尝试获取锁

// FairSync
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {
    // 公平锁比非公平锁多了一行代码 `!hasQueuedPredecessors()`if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {
    // 尝试获取锁setExclusiveOwnerThread(current);// 获取成功，标记被抢占return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    int nextc = c + acquires;if (nextc < 0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);// set state=state+1return true;}return false;
}

• 对于此方法来说，公平锁 比 非公平锁 只多一行代码 !hasQueuedPredecessors()。

1. 它用来查看队列中，是否有比它等待时间更久的线程。
2. 如果没有，就尝试一下是否能获取到锁。
3. 如果获取成功，则标记为已经被占用。
4. 如果获取锁失败，则调用 addWaiter() 方法，把线程包装成 Node 对象，同时放入到队列中。
5. 但 addWaiter 方法并不会尝试获取锁，acquireQueued() 方法才会尝试获取锁。
6. 如果获取失败，则此节点会被挂起。

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2.6 acquireQueued() 源码

/*** AbstractQueuedSynchronizer* 队列中的线程尝试获取锁，失败则会被挂起*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;// 获取锁是否成功的状态标识try {
    boolean interrupted = false;// 线程是否被中断for (;;) {
    // 获取前一个节点（前驱节点）final Node p = node.predecessor();// 当前节点为头节点的下一个节点时，有权尝试获取锁if (p == head && tryAcquire(arg)) {
    setHead(node);// 获取成功，将当前节点设置为 head 节点p.next = null; // help GC // 原 head 节点出队，等待被 GCfailed = false;// 获取成功return interrupted;}// 判断获取锁失败后是否可以挂起if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())// 线程若被中断，返回 trueinterrupted = true;}} finally {
    if (failed)cancelAcquire(node);}
}

• 该方法会使用 for(;;) 无限循环的方式来尝试获取锁。

1. 若获取失败，则调用 shouldParkAfterFailedAcquire() 方法，尝试挂起当前线程。

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2.7 shouldParkAfterFailedAcquire() 源码

*** AbstractOwnableSynchronizer* 判断线程是否可以被挂起*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 获得前驱节点的状态int ws = pred.waitStatus;// 前驱节点的状态为 SIGNAL，当前线程可以被挂起（阻塞）if (ws == Node.SIGNAL)/** This node has already set status asking a release* to signal it, so it can safely park.*/return true;if (ws > 0) {
    /** Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and* indicate retry.*/do {
    // 若前驱节点状态为 CANCELLED，那就一直往前找，直到找到一个正常等待的状态为止node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);// 并将当前节点排在它后边pred.next = node;} else {
    /** waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we* need a signal, but don't park yet. Caller will need to* retry to make sure it cannot acquire before parking.*/// 把前驱节点的状态修改为 SIGNALcompareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;
}

• 线程入列被挂起的前提条件是。

1. 前驱节点 的状态为 SIGNAL。

1. SIGNAL 状态的含义是 后继节点 处于 等待 状态，当前节点释放锁后将会唤醒 后继节点。

2. 所以在上面这段代码中，会先判断 前驱节点 的状态。

1. 如果为 SIGNAL，则当前线程可以被挂起并返回 true。
2. 如果前驱节点 的状态 > 0，则表示 前驱节点 取消了，这时候需要一直往前找，直到找到最近一个正常等待的 前驱节点。
3. 然后把它作为自己的 前驱节点；如果前驱节点正常（未取消），则修改 前驱节点 状态为 SIGNAL。

3. 到这里整个加锁的流程就已经走完了。
4. 最后的情况是，没有拿到锁的线程会在队列中被挂起，直到拥有锁的线程释放锁之后，才会去唤醒其他的线程去获取锁资源。

• 整个运行流程如下图所示：
  

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3. unlock() 释放锁

// ReentrantLock
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

// AbstractQueuedSynchronizer
public final boolean release(int arg) {
    // 尝试释放锁if (tryRelease(arg)) {
    // 释放成功Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);return true;}return false;
}

• 锁的释放流程为：

1. 先调用 tryRelease() 方法尝试释放锁。
2. 如果释放成功，则查看头结点的状态是否为 SIGNAL。
3. 如果是，则唤醒头结点的下个节点关联的线程。
4. 如果释放锁失败，则返回 false。

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3.1 tryRelease() 源码

/*** ReentrantLock* 尝试释放当前线程占有的锁*/
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;// 释放锁后的状态，0 表示释放锁成功// 如果拥有锁的线程不是当前线程的话抛出异常if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException();boolean free = false;if (c == 0) {
    // 锁被成功释放free = true;setExclusiveOwnerThread(null);// 清空独占线程}setState(c);// 更新 state 值，0 表示为释放锁成功return free;
}

• 在 tryRelease() 方法中。

1. 会先判断当前的线程是不是占用锁的线程。

1. 如果不是的话，则会抛出异常。
2. 如果是的话，则先计算锁的状态值 getState() - releases 是否为 0。
3. 如果为 0，则表示可以正常的释放锁，然后清空独占的线程，最后会更新锁的状态并返回执行结果。

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4. JDK-1.6 锁优化

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4.1 自适应自旋锁

• JDK-1.5 在升级为 JDK-1.6 时，HotSpot 虚拟机团队在锁的优化上下了很大功夫。
• 比如实现了 自适应式自旋锁、锁升级 等。

• JDK-1.6 引入了自适应式自旋锁，意味着自旋的时间不再是固定的时间了。

1. 比如在同一个锁对象上，如果通过自旋等待成功获取了锁。
2. 那么虚拟机就会认为，它下一次很有可能也会成功（通过自旋获取到锁）
3. 因此允许自旋等待的时间会相对的比较长。
4. 而当某个锁通过自旋很少成功获得过锁，那么以后在获取该锁时，可能会直接忽略掉自旋的过程，以避免浪费 CPU 的资源，这就是 自适应自旋锁 的功能。

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4.2 锁升级

• 锁升级 其实就是从 偏向锁 到 轻量级锁 再到 重量级锁 升级的过程。
• 这是 JDK-1.6 提供的优化功能，也称之为 锁膨胀。

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4.3 偏向锁

• 偏向锁 是指在无竞争的情况下设置的一种锁状态。
• 偏向锁 的意思是，它会偏向于第一个获取它的线程。

1. 当锁对象第一次被获取到之后，会在此对象头中设置标示为 “01”，表示偏向锁的模式，并且在对象头中记录此线程的 ID。
2. 这种情况下，如果是持有偏向锁的线程每次在进入的话，不再进行任何同步操作。
3. 如 Locking、Unlocking 等，直到另一个线程尝试获取此锁的时候，偏向锁模式才会结束。

• 偏向锁 可以提高带有同步，但无竞争的程序性能。

1. 但如果在多数锁总会被不同的线程访问时，偏向锁模式就比较多余了。
2. 此时可以通过 -XX:-UseBiasedLocking 来 禁用偏向锁 以提高性能。

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4.4 轻量锁 和 重量锁

• 轻量锁 是相对于 重量锁 而言的。

1. 在 JDK-1.6 之前，synchronized 是通过操作系统的互斥量（mutex lock）来实现的。
2. 这种实现方式，需要在用户态和核心态之间做转换，有很大的性能消耗。
3. 这种传统实现锁的方式被称之为 重量锁。

• 而 轻量锁 是通过比较并交换（CAS，Compare and Swap）来实现的。

1. 它对比的是线程和对象的 Mark Word（对象头中的一个区域）

1. 如果更新成功，则表示当前线程成功拥有此锁。
2. 如果失败，虚拟机会先检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧。
3. 如果是，则说明当前线程已经拥有此锁，否则，则说明此锁已经被其他线程占用了。

• 当两个以上的线程争抢此锁时，轻量级锁 就膨胀为 重量级锁，这就是 锁升级 的过程，也是 JDK 1.6 锁优化的内容。

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四、小结

• 首先是 synchronized 和 ReentrantLock 的实现过程。
• 然后是 synchronized 和 ReentrantLock 的区别。
• 最后通过源码的方式，看了 ReentrantLock 加锁和解锁的执行流程。
• 接着又看了 JDK-1.6 中的锁优化，包括自适应式自旋锁的实现过程，以及 synchronized 的三种锁状态和锁升级的执行流程。

• synchronized 刚开始为偏向锁，随着锁竞争越来越激烈，会升级为轻量级锁和重量级锁。
• 如果大多数锁被不同的线程所争抢就不建议使用偏向锁了。

1. ReentrantLock 的具体实现细节是什么？

2. JDK-1.6 时锁做了哪些优化？