深入分析 Java Lock 同步锁

深入分析 Java Lock 同步锁

前言

Java 的锁实现,有 Synchronized 和 Lock。上一篇文章深入分析了 Synchronized 的实现原理:由Java 15废弃偏向锁,谈谈Java Synchronized 的锁机制

本篇文章深入分析 Lock 的实现,以及对比其与 Synchronized 的不同。

Synchronized 与 Lock 的对比

  • 实现方式:Synchronized 由 JVM 实现;Lock 由 Java 底层代码实现
  • 锁获取:Synchronized 是 JVM 隐式获取,不用 Java 代码;Lock 由 Java 代码实现,有多种获取方式
  • 锁的释放:Synchronized 是 JVM 隐式释放,不用 Java 代码;Lock 可通过 Lock.unlock(),在 finally 中释放
  • 锁的类型:Synchronized 是非公平、可重入的Lock 是非公平性、公平性、可重入的
  • 锁的中断:Synchronized 不支持中断,Lock 支持中断

实现原理

Lock 是一个接口类,其接口方法定义:

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  • lock():获取锁
  • lockInterruptibly():如果当前线程未被中断,则获取锁,可以响应中断
  • tryLock():仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁,可以响应中断
  • tryLock(long time, TimeUnit unit):如果锁在给定的等待时间内空闲,并且当前线程未被中断,则获取锁
  • unlock():释放锁
  • newCondition():返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例

基础原理就不赘述了,Lock 接口的常用类:

  • ReentrantLock(重入锁)
  • ReentrantReadWriteLock(可重入的读写锁)

其都是依赖 AQS 实现的。AQS 类结构中包含一个基于链表实现的等待队列(CLH 队列),用于存储所有阻塞的线程,AQS 中还有一个 state 变量,表示加锁状态。

ReentrantLock

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ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock 是独占锁,对于同一份数据,如果一个线程读数据,另一个线程在写数据,那么读到的数据与最终的数据可能不一致。

在实际的业务场景中,读操作远远大于写操作。在多线程编程中,读操作不会修改共享资源的数据。针对读多写少的场景,我们可以使用 ReentrantReadWriteLock 来优化,ReentrantReadWriteLock 内部维护了 2 个锁:读锁 ReadLock,写锁 WriteLock

规则简单概括为:

  • 如果写锁没有被占用,就可以获取读锁
  • 如果读锁没有被占用,才可以获取写锁

下面的测试代码,因为读锁和写锁是同时 lock 的,所以会死锁。

@Test
public void testReadWriteLock() {
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.readLock().lock();
lock.writeLock().lock();
System.out.println("Hello");
lock.readLock().unlock();
lock.writeLock().unlock();
}

StampedLock

上述 ReentrantReadWriteLock 会有一个问题:在读很多,写很少的情况下,线程会因一直无法获取到锁而处于等待状态。

在 JDK 1.8 中,Java 提供了 StampedLock,有三种模式:

  • 悲观读
  • 乐观读

一个写线程获取写锁,通过 WriteLock 获取票据 stamp,WriteLock 是一个独占锁,unlockWrite 需要传递参数 stamp。

不一样的地方在于读过程。线程会先通过乐观锁 tryOptimisticRead 获取票据 stamp,如果当前没有线程持有写锁,则会返回一非 0 的 stamp 信息。线程获取该 stamp 后,会拷贝一份共享资源到房发展。

之后方法还需要调用 validate,验证之前调用 tryOptimisticRead 返回的 stamp 在当前是否有其它线程持有了写锁,如果是,那么 validate 会返回 0,升级为悲观锁;否则就可以使用该 stamp 版本的锁对数据进行操作。

总结

相比于 Synchronized 同步锁,Lock 实现的锁更加灵活:

  • 可以分为读写锁,优化读大于写的场景
  • 可以中断
  • 可以超时
  • 可以区分公平性

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