15 synchronized和ReentrantLock有什么区别呢?

从今天开始,我们将进入Java并发学习阶段。软件并发已经成为现代软件开发的基础能力,而Java精心设计的高效并发机制,正是构建大规模应用的基础之一,所以考察并发基本功也成为各个公司面试Java工程师的必选项。

今天我要问你的问题是, synchronized和ReentrantLock有什么区别?有人说synchronized最慢,这话靠谱吗?

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:

更进一步,你还需要:

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:

线程安全需要保证几个基本特性:

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) {}

再来看看ReentrantLock。你可能好奇什么是再入?它是表示当一个线程试图获取一个它已经获取的锁时,这个获取动作就自动成功,这是对锁获取粒度的一个概念,也就是锁的持有是以线程为单位而不是基于调用次数。Java锁实现强调再入性是为了和pthread的行为进行区分。

再入锁可以设置公平性(fairness),我们可在创建再入锁时选择是否是公平的。

    ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

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:

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,作为专栏进入并发阶段的第一讲,我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。

一课一练

关于今天我们讨论的synchronized和ReentrantLock你做到心中有数了吗?思考一下,你使用过ReentrantLock中的哪些方法呢?分别解决什么问题?

请你在留言区写写你对这个问题的思考,我会选出经过认真思考的留言,送给你一份学习鼓励金,欢迎你与我一起讨论。

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