【Java】线程的同步——synchronized、ReentrantLock

news2024/9/20 22:32:18

        对同一个线程,能否在获取到锁以后继续获取同一个锁?

        答案是肯定可以获取同一个锁。因为JVM 允许同一个线程重复获取同一个锁,这种能被同一个线程反复获取的锁,就叫做可重入锁。       

一、synchronized同步锁

        在 Java中synchronized 同步锁是一种可重入的锁。

        什么是Synchronized同步锁?

        Synchronized 同步锁,简单来说,使用 Synchronized 关键字将一段代码逻辑,用一把锁给锁起来,只有获得了这把锁的线程才访问。并且同一时刻,只有一个线程能持有这把锁,这样就保证了同一时刻只有一个线程能执行被锁住的代码,从而确保代码的线程安全。
        

1. 语法

(1)synchronized代码块:自定义对象,作为锁。

(2)synchronized修饰普通方法:使用this关键字获取当前对象,作为锁。

(3)synchronized修饰静态方法:使用当前类的Class对象,作为锁。

2. synchronized实现原理

(1)synchronized关键字通过monitor enter/monitor exit两个指令实现。

(2)通过Monitor监视器机制实现线程的同步:

                Owner 线程拥有者

                EntryList 线程阻塞区

                WaitSet 线程等待区

3. synchronized锁升级(锁膨胀)

        在JDK1.6之前,synchronized性能开销较大;在JDK1.6之后,对synchronized进行了优化,它会自动根据程序的执行情况,自动进行锁的升级:偏向锁->轻量级锁->重量级锁。

        偏向锁(偏斜锁):只有一个线程访问时,使用偏向锁,通过Owner记录线程ID(ThreadID)实现。

        轻量级锁:出现多个线程访问时(没有并发),使用轻量级锁,通过CAS实现。

        重量级锁:出现多个线程并发访问时,使用重量级锁。由于重量级锁,使用操作系统的互斥锁实现。(使用互斥锁,从“用户态”切换至“内核态”,带来性能开销,所以性能相对较差)

4. synchronized线程安全的案例

    可变字符串的线程安全

        (1)StringBuffer : 线程安全(在改变字符串内容的方法上使用synchronized同步锁),性能较差

        (2)StringBuilder:线程不安全,性能较好

    集合类的线程安全(使用synchronized关键字实现线程安全)

        (1)List接口的线程安全实现类:Vector、Stack

        (2)Map接口的线程安全实现类:Hashtable

5. synchronized 关键字的补充

        当一个线程访问对象的一个 synchronized(this)同步代码块时,另一个线程仍然可以访问该对象中的非 synchronized(this)同步代码块
        在没有加锁的情况下,所有的线程都可以自由地访问对象中的代码,而synchronized关键字只是限制了线程对于已经加锁的同步代码块的访问,并不会对其他代码做限制。所以,同步代码块应该越短小越好。
        父类中 synchronized 修饰的方法,如果子类没有重写,则该方法仍然是线程安全性;如果子类重写,并且没有使用 synchronized 修饰,则该方法不是线程安全的。
        在定义接口方法时,不能使用 synchronized 关键字。
        构造方法不能使用 synchronized 关键字,但可以使用 synchronized 代码块来进行同步
        离开 synchronized 代码块后,该线程所持有的锁,会自动释放

二、ReentrantLock锁

        synchronized 关键字虽然已经实现可重入锁,但由于获取时必须一直等待,没有额外的尝试机制。所以,在 java.util.concurrent.locks 包提供的 ReentrantLock用于替代 synchronized。顾名思义, ReentrantLock 也是可重入锁,它和 synchronized 一样,一个线程可以多次获取同一个锁。

        ReentrantLock是核心类库提供的锁实现类,实现了Lock接口,通过lock()方法加锁unlock()方法释放锁

        支持公平锁非公平锁,内部通过AQS机制实现。

        通过trylock()方法支持获取锁的尝试机制。使用 ReentrantLock比直接使用 synchronized 更安全,线程在 tryLock()失败的时候不会导致死锁

        ReentrantLock总共有三个内部类:Sync、NonfairSync、FairSync。

        NonfairSync 类继承了 Sync 类,表示采用非公平策略获取锁:每一次都尝试获取锁,不会按照公平等待的原则进行等待,不会让等待时间最久的线程获得锁。
       
        FairSync 类也继承了 Sync 类,表示采用公平策略获取锁:当资源空闲时,它总是会先判断sync 队列是否有等待时间更长的线程,如果存在,则将当前线程加入到等待队列的尾部,实现了公平获取原则。

        ReentrantLock 构造函数:默认是采用的非公平策略获取锁。

        ReentrantLock实现线程安全的案例:CopyOnWriteArrayList、ArrayBlockingQueue

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 公共的锁对象
        final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        // 通过锁对象,创建用于线程之间通信的Condition对象
        final Condition condition = lock.newCondition();

        Thread t1 = new Thread(new Number(lock, condition));
        Thread t2 = new Thread(new Character(lock, condition));

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

    }
}


class Number implements Runnable {
    private ReentrantLock lock;
    private Condition condition;

    public Number(ReentrantLock lock, Condition condition) {
        this.lock = lock;
        this.condition = condition;
    }

    @Override
    public void run() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 加锁
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 1; i < 53; i++) {
                if (i % 2 == 1) {
                    System.out.print(" ");
                }
                System.out.print(i);
                if (i % 2 == 0) {
                    // 唤醒
                    condition.signal();
                    try {
                        // 等待
                        condition.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }

    }
}

class Character implements Runnable {
    private ReentrantLock lock;
    private Condition condition;

    public Character(ReentrantLock lock, Condition condition) {
        this.lock = lock;
        this.condition = condition;
    }

    @Override
    public void run() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;

        // 加锁
        lock.lock();
        try {
            for (char i = 'A'; i <= 'Z'; i++) {
                System.out.print(i);
                if (i < 'Z') {
                    // 唤醒数字线程
                    condition.signal();
                    try {
                        // 等待
                        condition.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }

    }
}

三、ReentrantLock和synchronized的区别

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