【java多线程】（3）---synchronized、Lock

synchronized、Lock

 

一、概述

1、出现线程不安全的原因是什么？

       如果我们创建的多个线程，存在着共享数据，那么就有可能出现线程的安全问题：当其中一个线程操作共享数据时，还未操作完成，
另外的线程就参与进来，导致对共享数据的操作出现问题。

2、线程不安全解决办法

    要求一个线程操作共享数据时，只有当其完成操作完成共享数据，其它线程才有机会执行共享数据。java提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized和Lock。

 

二、synchronized

      synchronized可以保证方法或代码块在运行时，同一时刻只有一个线程可以进入到临界区（互斥性），同时它还保证了共享变量的内存可见性。

1、同步代码块。

synchronized(同步监视器){
            //操作共享数据的代码
        }

注：

1.同步监视器：俗称锁，任何一个类的对象都可以才充当锁。要想保证线程的安全，必须要求所有的线程共用同一把锁！（就是每个线程进来这个锁(对象)必须是同一个，否在无效）

2.使用实现Runnable接口的方式创建多线程的话，同步代码块中的锁，可以考虑是this。如果使用继承Thread类的方式，慎用this!(理解)

3.共享数据：多个线程需要共同操作的变量。 明确哪部分是操作共享数据的代码。(就是你这个synchronized只能加在共享变量上，放错位置也会达不到效果)

2、非静态的方法

      对于非静态的方法而言，使用同步的话，默认锁为：this。如果使用在继承的方式实现多线程的话，慎用！(继承的方式实现多线程看我上篇博客的：2、如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？)

3、对于静态的方法  

     如果使用同步，默认的锁为：当前类本身。以单例的懒汉式为例。 Class clazz = Singleton.class

4、看下面的锁是否有效

(1)无效锁

public class SynchronizedTest {
    public static void main(String[] args){
        Test t1 = new Test();
        t1.start();
        Test t2 = new Test();
        t2.start(); 
    }
}

class Test extends Thread{
    @Override
    public void run() { 
        writeSomething(); 
    } 
 //该锁无效
 //这个是非静态方法锁，那么这个锁的对象指，当前该锁的引用对象，也就是this,这里创建了两个对象，这个this当然是同一个
    public synchronized void writeSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        }
        System.out.println(" ");
    } 
}
/*随机输出一种结果：
 * 0 0 1 1 2 2 3 4 5 3 6 4 5 6 7 8 9  
 * 7 8 9  
 */

(2)有效锁

public class Test1 {
    static Test2 test2 = new Test2();
    public static void main(String[] args){
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test2.writeSomething();
            }
        }).start();
        test2.writeSomething(); 
    }
}

class Test2{ 
    
    //锁有效
    //因为这里两个线程的this都指test2同一个对象
    public synchronized void writeSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        } 
        System.out.println();
    }
}
/*输出结果：仅一种可能
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 
 * 因为第一个进来的，在没有执行完之前是不会释放锁的，那么另一个怎么也进不来。
 */

(3)有效锁

public class Synchronized1Test {
    static Test4 test4 = new Test4();

    public static void main(String[] args){
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                test4.writeSomething();
            }
        }).start();

        test4.printSomething(); 
    }
}

class Test4{
    //这里在两个方法都放了锁，但因为锁对象是同一个，所以线程只要进入其中一个方法，那么锁就会锁住另一个方法
    public synchronized void writeSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        }
        System.out.println();
    } 

    public synchronized void printSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        } 
    System.out.println(); 
    }
}
/*运行结果：仅一种可能
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 
 * 这两个线程只要谁先抢到锁，那么另一个就必须等该线程释放锁，它才有机会获得锁，进入方法
 */

5、总结

 关于synchronized一定要记住两点：

   （1）锁(既对象)一定是要唯一，否在锁无效。

   （2）对于同步代码块中的synchronized一定要放在共享变量上，否在也可能会达不到预期效果

 

 三、Lock简介

         Lock和synchronized 不同的是synchronized 会自动释放锁，而Lock必须手动释放，如果没有释放就可能造成死锁。

并且Lock的使用一般放在try{}catch块中，最后在finally中释放锁，保证抛出异常时锁会被释放。

1、synchronized的弊端

如果一个代码块被synchronized修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：

　　1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；

　　2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。

这就有下面几个问题：

    (1)如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，这点非常影响程序执行效率。

因为它没有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断）

   (2)如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。

  (3)通过synchronized无法知道线程有没有成功获取到锁。

上面的问题，Lock都能解决。

2、Lock和synchronized有以下几点不同

       1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；

　　2）synchronized会自动释放线程占有的锁，而Lock需要主动通过unLock()去释放锁，否则很可能造成死锁现象。

　　3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；

　　4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。

　　5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况。

 

四、介绍java.util.concurrent.locks包下常用的类 

       下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。

 五.Lock

      首先要说明的就是Lock，通过查看Lock的源码可知，Lock是一个接口

 public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

       下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用，lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述，会在后面的线程协作一文中讲述。  

 在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？

1、 lock()锁

        首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。

如果采用Lock，必须主动去释放锁，因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行。以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

2、  tryLock()

    tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false .

 所以，一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }catch(Exception ex){
         
     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     } 
}else {
    //如果不能获取锁，则直接做其他事情
}

3、 tryLock(long time, TimeUnit unit)

       tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

4、  lockInterruptibly()

       当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态，并抛出异常。

因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

public void method() throws InterruptedException {
   //调用它时需要主动抛出异常，如果获得锁就执行，如果锁已经被其它线程得到，那就抛InterruptedException异常
    lock.lockInterruptibly();
    try {  
     //.....
    }
    finally {
        lock.unlock();
    }  
}

    注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。

　      因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。

　 　 而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

 

六、ReentrantLock

         ReentrantLock，意思是“可重入锁”。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。

1、  lock()的正确使用方法

public class LockTest {
    public static void main(String[] args)  {
        final LockTest test = new LockTest();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) {
        Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
           //出来业务逻辑
        } catch (Exception e) {
        }finally {
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }
}

思考：最终结果会是怎么样？

Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁

        也许有朋友会问，怎么会输出这个结果？第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁？原因在于，在insert方法中的lock变量是局部变量，每个线程执行该方法时都会保存一个副本，那么理所当然每个线

程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会发生冲突。

所以如果要想锁有用，就把它放到全局下： private Lock lock = new ReentrantLock();

2、  tryLock()的使用方法

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
    public static void main(String[] args)  {
        final Test test = new Test();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) {
        if(lock.tryLock()) {
            try {
                System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
                for(int i=0;i<5;i++) {
                    arrayList.add(i);
                }
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }finally {
                System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
        }
    }
}

     思考，运行结果如何？

这个时候塔的结果会是如何？
/*它其实会有两种结果
  结果1
*Thread-0得到了锁
*Thread-1获取锁失败
*Thread-0释放了锁
结果二
*Thread-0得到了锁
*Thread-0释放了锁
*Thread-1得到了锁
*Thread-1释放了锁
*/

/*思考为什么会有两种结果，其实是很简单
分析结果1：
 * 当0线程进来的时候，还没有执行完，这个时候1线程进来发现锁被0还占用，所以只能执行else后方法.
 * 这个时候0线程也把剩下的执行完了。
分析结果二
 *当0进来的时候已经把程序全部执行完后，并释放了锁，而再1线程进来又可以获得锁，又可以执行相关程序 
 */

3、   lockInterruptibly()响应中断的使用方法

public class InterrupTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();   
    public static void main(String[] args)  {
        InterrupTest test = new InterrupTest();
        MyThread thread0 = new MyThread(test);
        MyThread thread1 = new MyThread(test);
        thread0.start();
        thread1.start();
  
        thread1.interrupt();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
        lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
        try {  
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
        }
        finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
            lock.unlock();
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
        }  
    }
}
 
class MyThread extends Thread {
    private InterrupTest test = null;
    public MyThread(InterrupTest test) {
        this.test = test;
    }
    @Override
    public void run() {
         
        try {
            test.insert(Thread.currentThread());
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
        }
    }
}

思考，运行结果如何？

/*运行结果（不一定都是这样）
 *Thread-0得到了锁
 *Thread-1被中断
 *Thread-0执行finally
 *Thread-0释放了锁  
 */

/*原因分析
 * 其实就是0先获得所，0在获得锁的同时1进来了，发现锁已被占用那么直接向上抛异常
 * 然后捕获异常就这样输出了。
 */

 

七、ReadWriteLock 

       ReadWriteLock也是一个接口，在它里面只定义了两个方法

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * Returns the lock used for reading.
     */
    Lock readLock();
 
    /**
     * Returns the lock used for writing.
     */
    Lock writeLock();
}

   一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。

 

八、ReentrantReadWriteLock

      ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口，ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法，不过最主要的有两个方法：readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。

下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。

1、假如有多个线程要同时进行读操作的话，先看一下synchronized达到的效果

public class Test6 {  
    
    public static void main(String[] args)  {
        final Test6 test = new Test6();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();         
    }  
     
    public synchronized void get(Thread thread) {
         
          for(int i=0;i<3;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
          }
        System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
    }
}

   思考，运行结果如何？

/*运行结果
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0读操作完毕
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1读操作完毕 
 */
 //这段程序的输出结果会是，直到thread1执行完读操作之后，才会打印thread2执行读操作的信息。

 

2、优化成用读写锁的话

 public static void main(String[] args)  {
        final WriteTest test = new WriteTest();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
    }  
     
    public void get(Thread thread) {
 //这里放读锁
        rwl.readLock().lock();
        try {
            for(int i=0;i<3;i++){
                System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
              }
            try {
                Thread.currentThread().sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
        } finally {
 //这里释放锁
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}

思考，运行结果如何？

/*运行结果（存在多种结果）
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-0读操作完毕
 Thread-1读操作完毕
 
 这就说明：并没有一个线程占着锁一定要执行完才释放锁
 */ 

 

这就说明thread1和thread2在同时进行读操作。这样就大大提升了读操作的效率。

　　不过要注意的是，如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。

　　如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。

 

九、锁的相关概念介绍

       在前面介绍了Lock的基本使用，这一节来介绍一下与锁相关的几个概念。

1.可重入锁

       如果锁具备可重入性，则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。

看下面这段代码就明白了：

class MyClass {
    public synchronized void method1() {
        method2();
    }
     
    public synchronized void method2() {
         
    }
}

       上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了，假如某一时刻，线程A执行到了method1，此时线程A获取了这个对象的锁，而由于method2也是synchronized方法，假如synchronized不具备

可重入性，此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题，因为线程A已经持有了该对象的锁，而又在申请获取该对象的锁，这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。

    　而由于synchronized和Lock都具备可重入性，所以不会发生上述现象。

 2.可中断锁

      可中断锁：顾名思义，就是可以相应中断的锁。在Java中，synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。

      如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。

在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。

 3.公平锁

        公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该所，这种就是公平锁。

非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。

       在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。

而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。

      可以在创建ReentrantLock对象时，通过以下方式来设置锁的公平性：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

如果参数为true表示为公平锁，为fasle为非公平锁。默认情况下，如果使用无参构造器，则是非公平锁。

4.读写锁

        读写锁将对一个资源（比如文件）的访问分成了2个锁，一个读锁和一个写锁。正因为有了读写锁，才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。

ReadWriteLock就是读写锁，它是一个接口，ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。可以通过readLock()获取读锁，通过writeLock()获取写锁。

　    上面已经演示过了读写锁的使用方法，在此不再赘述。

 

参考

   非常感谢这两篇文章：

          1、synchronized / Lock+volatile

          2、Java并发编程：Lock

 

 想太多，做太少，中间的落差就是烦恼。想没有烦恼，要么别想，要么多做。少校【9】