Java中locks与synchronized及其异同

关键字：synchronized、java.util.concurrent.locks.Lock、同步、并发、锁

一、【引言】

JDK1.5之前，实现同步主要是使用synchronized，而在JDK1.5中新增了java.util.concurrent包及其两个子包locks和atomic，其中子包locks中定义了系列关于锁的抽象的类。本文主要介绍java.util.concurrent.locks的使用及其与synchronized两种方式实现同步的异同。

二、【synchronized同步】

synchronized相信很多熟悉J2SE的人都不会对这个关键字陌生，它用于实现多个线程之间的同步，一般有两种使用方式：
1、在方法上加synchronized关键字

public synchronized void f() {
//do something
}

2、synchronized同步代码块

synchronized (mutex) {
// do something
}

对于这两种方式又应该着重区分是否为“static”的，因为static的成员是属于类的，非staitc的是属于具体实例的，所以在使用synchronized时应该注意方法或选择的同步变量是否为static的，如下代码：

package test.lock;

/**
 * @author whwang
 * 2012-1-10 下午11:19:04
 */
public class SyncTest {

    private Object mutex = new Object();

    public synchronized void f1() {
        synchronized (mutex) {
            System.err.println("nonstatic method f1....");
            try {
                Thread.sleep(2 * 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SycnThread thread1 = new SycnThread(new SyncTest());
        SycnThread thread2 = new SycnThread(new SyncTest());
        SycnThread thread3 = new SycnThread(new SyncTest());
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }

}

class SycnThread extends Thread {

    private SyncTest st;

    public SycnThread(SyncTest st) {
        this.st = st;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            st.f1();
        }
    }
}

在main方法，创建thread1、2、3三个线程，它们都调用SyncTest的f1()方法，而方法f1()使用mutex(非static)来做同步变量，如果你的意图是实现这3个线程对方法f1的同步，那么运行的结果会让你大失所望，因为这样根本就无法使得这3个线程同步，原因在于：mutex是一个非static的成员变量，也就是说每new SyncTest()，它们的mutex变量都是不相同的。这样，对于上面这个程序来说，意味着每一个线程都使用了一个mutex来做它们各自的不同变量，如果希望上面3个线程同步，可以把mutex改为static或在创建SycnThread时，传入的SyncTest都为同一个对象即可。
还有当使用String常量或全局变量时都应该引起注意，Java线程同步小陷阱，你掉进去过吗？。

三、【java.util.concurrent.locks下的锁实现同步】

自JDK1.5以为，Java提供了java.util.concurrent这个并发包，在它的子包locks中，提供了一系列关于锁的抽象的类。主要有两种锁ReentrantLockReentrantReadWriteLock，而其他的两个类，都是“辅助”类，如AbstractQueuedSynchronizer就是一个用于实现特殊规则锁的抽象类，ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock内部都有一个继承了该抽象类的内部类，用于实现特定锁的功能。下文主要介绍：ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock

1、可重入的锁ReentrantLock

使用ReentrantLock锁最简单的一个例子：

Lock lock = new ReentrantLock();
try {
    lock.lcok();
    // do something
} finally {
    lock.unlock();
}

 

上面这段代码，首先创建了一个lock，然后调用它的lock()方法，开启锁定，在最后调用它的unlock()解除锁定。值得注意的时，一般在使用锁时，都应该按上面的风格书写代码，即lock.unlock()最好放在finally块，这样可以防止，执行do something时发生异常后，导致锁永远无法被释放。

到此，还没发现Lock与synchronized有什么不同，Lock与synchronized不同之处主要体现在Lock比synchronized更灵活得多，而这些灵活又主要体现在如下的几个方法：

//lock()
tryLock()
tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit)
lockInterruptibly()
//unlock()

A、trylock()方法：如果获取了锁立即返回true，如果别的线程正持有锁，立即返回false；
B、tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit)方法：如果获取了锁定立即返回true，如果别的线程正持有锁，会等待参数给定的时间，在等待的过程中，如果获取了锁定，就返回true，如果等待超时，返回false；
是不是比synchronized灵活就体现出来了，打个不是很恰当的比分：你现在正在忙于工作，突然感觉内急，于是你跑向洗手间，到门口发现一个“清洁中，暂停使用”的牌牌。没办法，工作又忙，所以你只好先放弃去洗手间回去忙工作，可能如此反复，终于你发现可以进了，于是......
像这样的场景用synchronized你怎么实现？没办法，如果synchronized，当你发现洗手间无法暂时无法进入时，就只能乖乖在门口干等了。而使用trylock()呢，首先你试着去洗手间，发现暂时无法进入(trylock返回false)，于是你继续忙你的工作，如此反复，直到可以进入洗手间为止(trylock返回true)。甚至，你非常急，你可以尝试性的在门口等20秒，不行再去忙工作(trylock(20, TimeUnit.SECONDS);)。
C、lockInterruptibly()方法
lockInterruptibly()方法的执行如下：
如果该锁定没有被另一个线程保持，则获取该锁定并立即返回，将锁定的保持计数设置为 1。
如果当前线程已经保持此锁定，则将保持计数加 1，并且该方法立即返回。
如果锁定被另一个线程保持，则出于线程调度目的，禁用当前线程，并且在发生以下两种情况之一以前，该线程将一直处于休眠状态：
    a、锁定由当前线程获得；
    b、或者其他某个线程中断当前线程。 
如果当前线程获得该锁定，则将锁定保持计数设置为1。
如果当前线程：
    a、在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；
    b、或者在等待获取锁定的同时被中断。 
则抛出 InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。
即lockInterruptibly()方法允许在等待时由其它线程调用它的Thread.interrupt方法来中断等待而直接返回，这时不再获取锁，而会抛出一个InterruptedException。
D、lockInterruptibly()方法源码介绍

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    sync.acquireInterruptibly(1);
}

a、首先lockInterruptibly调用了内部类sync的acquireInterruptibly(1)方法，这个sync就是前面提到的AbstractQueuedSynchronizer的子类

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // ....
}

public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (!tryAcquire(arg))
        doAcquireInterruptibly(arg);
}

b、在sync的acquireInterruptibly方法中，首先检查当前现场是否已经中断，如果已经中断，抛出InterruptedException异常，否则调用调用sync的doAcquireInterruptibly方法。

private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
        // 抛出InterruptedException异常
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

c、在sync的方法doAcquireInterruptibly中，关键在于检测到中断则直接退出循环(不在等待获取锁)，而是直接抛出InterruptedException异常，最后在finally里调用cancelAcquire取消获锁操作。
E、除了这些方法之外，ReentrantLock还提供了很多实用的方法，这里就不再一一讲述
对于Lock，还有一个特别值得注意的地方，请看下面的代码：

Lock lock = new ReentrantLock();
// ....
try {
    lock.lock();
    lock.lock();
    // do something...
} finally {
    lock.unlock();
}
// ....

可以看到上面，上面代码调用lock()方法和调用unlock()方法的次数不同，这样的一段代码执行完后，别的线程是否已经可以获取该lock锁呢？

package test.mult;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @ClassName: Test
 * @author whwang
 * @date 2012-1-11 下午02:04:04
 */
public class Test {

    private String name;

    public Test(String name) {
        this.name = name;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 这样创建一个"公平竞争"的锁
        Lock lock = new ReentrantLock(true);
        MyThread t1 = new MyThread(lock, new Test("test1"));
        MyThread t2 = new MyThread(lock, new Test("test2"));
        t1.start();
        t2.start();
    }

    private static class MyThread extends Thread {
        Lock lock = null;
        Test test = null;

        public MyThread(Lock lock, Test test) {
            this.lock = lock;
            this.test = test;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    // 调用两次lock
                    lock.lock();
                    lock.lock();
                    System.err.println(test.name + " locked...");
                    try {
                        Thread.sleep(3 * 1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }

    }
}

运行的结果:

test1 locked...
test1 locked...
test1 locked...
test1 locked...
test1 locked...
test1 locked...

永远都是持有test1这个类的线程才能获取锁，其实是第一个获取锁的线程，他永远都拿着锁不放。
所以在使用Lock的时候，lock与unlock一定要配对。

2、可重入的读写锁ReentrantReadWriteLock

该锁的用法与ReentrantLock基本一样，只是ReentrantReadWriteLock实现了特殊规则（读写锁），在ReentrantReadWriteLock中有两个内部类ReentrantReadWriteLock.ReadLock和ReentrantReadWriteLock.WriteLock(实际上不止两个内部类，还有实现AbstractQueuedSynchronizer的Sync等等)，这两个类分别可以使用ReentrantReadWriteLock的readLock()和writeLock()返回，该读写锁的规则是：只要没有writer，读取锁定可以由多个reader 线程同时保持，而写入锁定是独占的。下面通过一个简单的例子来了解它：

package test.mult;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
* @ClassName: ReadWriteLockTest
* @author whwang
* @date 2012-1-11 下午02:20:59
 */
public class ReadWriteLockTest {

    static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true);

    public static void main(String[] args) {
        // 是否可以进入多个reader - 可以

        // 是否可以进入多个writer - 不可以

        // 当有reader进入后, writer是否可以进入 - 不可以

        // 当有writer进入后, reader是否可以进入 - 不可以

        MyThread t1 = new MyThread(0, "t1");
        MyThread t2 = new MyThread(0, "t2");
        MyThread t3 = new MyThread(1, "t3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

    private static class MyThread extends Thread {

        private int type;

        private String threadName;

        public MyThread(int type, String threadName) {
            this.threadName = threadName;
            this.type = type;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                if (type == 0) {
                    // read
                    ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = null;
                    try {
                        readLock = lock.readLock();
                        readLock.lock();
                        System.err.println("to read...." + threadName);
                        try {
                            Thread.sleep(5 * 1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    } finally {
                        readLock.unlock();
                    }
                } else {
                    // write
                    ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = null;
                    try {
                        writeLock = lock.writeLock();
                        writeLock.lock();
                        System.err.println("to write...." + threadName);
                        try {
                            Thread.sleep(5 * 1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    } finally {
                        writeLock.unlock();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

3、AbstractQueuedSynchronizer：如果需要自己实现一些特殊规则的锁，可以通过拓展该类来实现。

参考文档：
http://wenku.baidu.com/view/41480552f01dc281e53af090.html
http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/index.html

 

http://blog.csdn.net/smcwwh/article/details/7193666

为了更加理解，还可以看一下：

http://www.cnblogs.com/benshan/p/3551987.html