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2022/09/15阅读:21主题:默认主题

Synchronized 和 ReentrantLock 的实现原理是什么?它们有什么区别?

synchronized 和 ReentrantLock 是如何实现的?它们有什么区别?

在 JDK 1.5 之前共享对象的协调机制只有 synchronizedvolatile,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。

典型回答

synchronized 属于独占式悲观锁,是通过 JVM 隐式实现的,synchronized 只允许同一时刻只有一个线程操作资源。

在 Java 中每个对象都隐式包含一个 monitor(监视器)对象,加锁的过程其实就是竞争 monitor 的过程,当线程进入字节码 monitorenter 指令之后,线程将持有 monitor 对象,执行 monitorexit 时释放 monitor 对象,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。

ReentrantLock 是 Lock 的默认实现方式之一,它是基于 AQS(Abstract Queued Synchronizer,队列同步器)实现的,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,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,而其他未获得锁的线程只能去排队等待获取锁资源。

synchronizedReentrantLock 都提供了锁的功能,具备互斥性和不可见性。在 JDK 1.5 中 synchronized 的性能远远低于 ReentrantLock,但在 JDK 1.6 之后 synchronized 的性能略低于 ReentrantLock,它的区别如下:

  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。

考点分析

synchronizedReentrantLock 是比线程池还要高频的面试问题,因为它包含了更多的知识点,且涉及到的知识点更加深入,对面试者的要求也更高,前面我们简要地介绍了 synchronizedReentrantLock 的概念及执行原理,但很多大厂会更加深入的追问更多关于它们的实现细节,比如:

  • ReentrantLock 的具体实现细节是什么?
  • JDK 1.6 时锁做了哪些优化?

知识扩展

ReentrantLock 源码分析

从源码出发来解密 ReentrantLock 的具体实现细节,首先来看 ReentrantLock 的两个构造函数:

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

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。

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,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,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。

而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,所以 ReentrantLocksynchronized 默认都是非公平锁的实现方式。

ReentrantLock 是通过 lock() 来获取锁,并通过 unlock() 释放锁,使用代码如下:

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

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,NonfairSync 中的 lock() 源码如下:

final void lock() {
    if (compareAndSetState(01))
        // 将当前线程设置为此锁的持有者
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

FairSync 中的 lock() 源码如下:

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,该方法是尝试将 state 值由 0 置换为 1,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,否则,则需要通过 acquire 方法去排队。

acquire 源码如下:

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

tryAcquire 方法尝试获取锁,如果获取锁失败,则把它加入到阻塞队列中,来看 tryAcquire 的源码:

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+1
        return 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(),它用来查看队列中是否有比它等待时间更久的线程,如果没有,就尝试一下是否能获取到锁,如果获取成功,则标记为已经被占用。

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,但 addWaiter 方法并不会尝试获取锁,acquireQueued 方法才会尝试获取锁,如果获取失败,则此节点会被挂起,源码如下:

/**
 * 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// 原 head 节点出队,等待被 GC
                failed = 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 true
                interrupted = 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,若获取失败,则调用 shouldParkAfterFailedAcquire 方法,尝试挂起当前线程,源码如下:

/**
 * 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)
        return true;
    if (ws > 0) { 
        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 {
        // 把前驱节点的状态修改为 SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

线程入列被挂起的前提条件是,前驱节点的状态为 SIGNAL,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。所以在上面这段代码中,会先判断前驱节点的状态,如果为 SIGNAL,则当前线程可以被挂起并返回 true;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,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。

到这里整个加锁的流程就已经走完了,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:

unlock 相比于 lock 来说就简单很多了,源码如下:

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

tryRelease 源码如下:

/**
 * 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;
}

tryRelease 方法中,会先判断当前的线程是不是占用锁的线程,如果不是的话,则会抛出异常;如果是的话,则先计算锁的状态值 getState() - releases 是否为 0,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。

JDK 1.6 锁优化

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,比如在同一个锁对象上,如果通过自旋等待成功获取了锁,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),因此允许自旋等待的时间会相对的比较长,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。

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。

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,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,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,如 LockingUnlocking 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。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,此时可以通过 -XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁以提高性能。

轻量锁是相对于重量锁而言的,在 JDK 1.6 之前,synchronized 是通过操作系统的互斥量(mutex lock)来实现的,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,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,它对比的是线程和对象的 Mark Word(对象头中的一个区域),如果更新成功则表示当前线程成功拥有此锁;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,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。

总结

本文首先讲了 synchronizedReentrantLock 的实现过程,然后讲了 synchronizedReentrantLock 的区别,最后通过源码的方式讲了 ReentrantLock 加锁和解锁的执行流程。接着又讲了 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。


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