详解synchronized与Lock的区别与使用

知识点

1、线程与进程

　　在开始之前先把进程与线程进行区分一下，一个程序最少需要一个进程，而一个进程最少需要一个线程。关系是线程–>进程–>程序的大致组成结构。所以线程是程序执行流的最小单位，而进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。以下我们所有讨论的都是建立在线程基础之上。

2、Thread的几个重要方法

　　我们先了解一下Thread的几个重要方法。

　　　　a、start()方法，调用该方法开始执行该线程；

　　　　b、stop()方法，调用该方法强制结束该线程执行；

　　　　c、join方法，调用该方法等待该线程结束。

　　　　d、sleep()方法，调用该方法该线程进入等待。

　　　　e、run()方法，调用该方法直接执行线程的run()方法，但是线程调用start()方法时也会运行run()方法，区别就是一个是由线程调度运行run()方法，一个是直接调用了线程中的run()方法！！

　　看到这里，可能有些人就会问啦，那wait()和notify()呢？要注意，其实wait()与notify()方法是Object的方法，不是Thread的方法！同时，wait()与notify()会配合使用，分别表示线程挂起和线程恢复。

　　这里还有一个很常见的问题，顺带提一下：wait()与sleep()的区别，简单来说wait()会释放对象锁而sleep()不会释放对象锁。这些问题有很多的资料，不再赘述。

3、线程状态

线程总共有5大状态，通过上面第二个知识点的介绍，理解起来就简单了。

　　新建状态：新建线程对象，并没有调用start()方法之前
　　就绪状态：调用start()方法之后线程就进入就绪状态，但是并不是说只要调用start()方法线程就马上变为当前线程，在变为当前线程之前都是为就绪状态。值得一提的是，线程在睡眠和挂起中恢复的时候也会进入就绪状态哦。
　　运行状态：线程被设置为当前线程，开始执行run()方法。就是线程进入运行状态
　　阻塞状态：线程被暂停，比如说调用sleep()方法后线程就进入阻塞状态
　　死亡状态：线程执行结束

4、锁类型

　　可重入锁：在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁
　　可中断锁：在等待获取锁过程中可中断
　　公平锁： 按等待获取锁的线程的等待时间进行获取，等待时间长的具有优先获取锁权利
　　读写锁：对资源读取和写入的时候拆分为2部分处理，读的时候可以多线程一起读，写的时候必须同步地写

synchronized与Lock的区别

详情对比见下表：

Lock详解

如下为Lock接口的部分源码：

public interface Lock {
   /**
    * Acquires the lock.
    */
   void lock();

   /**
    * Acquires the lock unless the current thread is
    * {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.
    */
   void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

   /**
    * Acquires the lock only if it is free at the time of invocation.
    */
   boolean tryLock();

   /**
    * Acquires the lock if it is free within the given waiting time and the
    * current thread has not been {@linkplain Thread#interrupt interrupted}.
    */
   boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

   /**
    * Releases the lock.
    */
   void unlock();

}

　　从Lock接口中我们可以看到主要有5个方法，这些方法的功能从注释中可以看出：

　　　　lock()：获取锁，如果锁被暂用则一直等待
　　　　unlock():释放锁
　　　　tryLock(): 注意返回类型是boolean，如果获取锁的时候锁被占用就返回false，否则返回true
　　　　tryLock(long time, TimeUnit unit)：比起tryLock()就是给了一个时间期限，保证等待参数时间
　　　　lockInterruptibly()：用该锁的获得方式，如果线程在获取锁的阶段进入了等待，那么可以中断此线程，先去做别的事
　　通过 以上的解释，大致可以解释在上个部分中“锁类型(lockInterruptibly())”，“锁状态(tryLock())”等问题，还有就是前面子所获取的过程我所写的“大致就是可以尝试获得锁，线程可以不会一直等待”用了“可以”的原因。

下面是Lock一般使用的例子，注意ReentrantLock是Lock接口的实现。

lock()：

public class LockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private void method(Thread thread) {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName() + " has gotten the lock!");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(thread.getName() + " has unlocked the lock!");
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final LockTest test = new LockTest();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

运行结果：

t1 has gotten the lock!
t1 has unlocked the lock!
t2 has gotten the lock!
t2 has unlocked the lock!

tryLock():

public class LockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private void method(Thread thread) {
        /*lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName() + " has gotten the lock!");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(thread.getName() + " has unlocked the lock!");
            lock.unlock();
        }*/
        if (lock.tryLock()) {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(thread.getName() + " has gotten the lock!");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println(thread.getName() + " has unlocked the lock!");
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println("I'm "+thread.getName()+". Someone has gotten the lock!");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest test = new LockTest();

        Thread t1 = new Thread(() -> test.method(Thread.currentThread()), "t1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method(Thread.currentThread());
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果：

t1 has gotten the lock!
t1 has unlocked the lock!
I'm t2. Someone has gotten the lock!

　　看到这里相信大家也都会使用如何使用Lock了吧，关于tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()不再赘述。前者主要存在一个等待时间，在测试代码中写入一个等待时间，后者主要是等待中断，会抛出一个中断异常，常用度不高，喜欢探究可以自己深入研究。

　　前面比较重提到“公平锁”，在这里可以提一下ReentrantLock对于平衡锁的定义，在源码中有这么两段：

/**
    * Sync object for non-fair locks
    */
   static final class NonfairSync extends Sync {
       private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
       /**
        * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
        * acquire on failure.
        */
       final void lock() {
           if (compareAndSetState(0, 1))
               setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
           else
               acquire(1);
       }

       protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
           return nonfairTryAcquire(acquires);
       }
   }

   /**
    * Sync object for fair locks
    */
   static final class FairSync extends Sync {
       private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

       final void lock() {
           acquire(1);
       }

       /**
        * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
        * recursive call or no waiters or is first.
        */
       protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
           final Thread current = Thread.currentThread();
           int c = getState();
           if (c == 0) {
               if (!hasQueuedPredecessors() &&
                   compareAndSetState(0, acquires)) {
                   setExclusiveOwnerThread(current);
                   return true;
               }
           }
           else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
               int nextc = c + acquires;
               if (nextc < 0)
                   throw new Error("Maximum lock count exceeded");
               setState(nextc);
               return true;
           }
           return false;
       }
   }

　　从以上源码可以看出在Lock中可以自己控制锁是否公平，而且，默认的是非公平锁，以下是ReentrantLock的构造函数：

public ReentrantLock() {
       sync = new NonfairSync();//默认非公平锁
   }

补充

1、两种锁的底层实现方式

　　synchronized：我们知道java是用字节码指令来控制程序（这里不包括热点代码编译成机器码）。在字节指令中，存在有synchronized所包含的代码块，那么会形成2段流程的执行。

public class SyncDemo {
    public void sync(){
        synchronized (SyncDemo.class){
            System.out.println(" ");
        }
    }
}

我们点击查看SyncDemo.java的源码SyncDemo.class，可以看到如下：

　　如上就是这段代码段字节码指令，没你想的那么难吧。言归正传，我们可以清晰段看到，其实synchronized映射成字节码指令就是增加来两个指令：monitorenter和monitorexit。当一条线程进行执行的遇到monitorenter指令的时候，它会去尝试获得锁，如果获得锁那么锁计数+1（为什么会加一呢，因为它是一个可重入锁，所以需要用这个锁计数判断锁的情况），如果没有获得锁，那么阻塞。当它遇到monitorexit的时候，锁计数器-1，当计数器为0，那么就释放锁。

　　那么有的朋友看到这里就疑惑了，那图上有2个monitorexit呀？因为synchronized锁释放有两种机制，一种就是执行完释放；另外一种就是发送异常，虚拟机释放。图中第二个monitorexit就是发生异常时执行的流程，这就是我开头说的“会有2个流程存在“。而且，从图中我们也可以看到在第13行，有一个goto指令，也就是说如果正常运行结束会跳转到19行执行。

　　这下，你对synchronized是不是了解的很清晰了呢。接下来我们再聊一聊Lock。

Lock

　　Lock实现和synchronized不一样，后者是一种悲观锁，它胆子很小，它很怕有人和它抢吃的，所以它每次吃东西前都把自己关起来。而Lock呢底层其实是CAS乐观锁的体现，它无所谓，别人抢了它吃的，它重新去拿吃的就好啦，所以它很乐观。具体底层怎么实现，这里不在细述。如果面试问起，就说底层主要靠volatile和CAS操作实现的。

　　现在，我要说的是：尽可能去使用synchronized而不要去使用LOCK

　　什么概念呢？我和大家打个比方：你叫jdk，你生了一个孩子叫synchronized，后来呢，你领养了一个孩子叫LOCK。起初，LOCK刚来到新家的时候，它很乖，很懂事，各个方面都表现的比synchronized好。你很开心，但是你内心深处又有一点淡淡的忧伤，你不希望你自己亲生的孩子竟然还不如一个领养的孩子乖巧。这个时候，你对亲生的孩子教育更加深刻了，你想证明，你的亲生孩子synchronized并不会比领养的孩子LOCK差。（只是打个比方）那如何教育呢？在jdk1.6~jdk1.7的时候，也就是synchronized16、7岁的时候，你作为爸爸，你给他优化了，具体优化在哪里呢：

1、线程自旋和适应性自旋

　　我们知道，java线程其实是映射在内核之上的，线程的挂起和恢复会极大的影响开销。并且jdk官方人员发现，很多线程在等待锁的时候，在很短的一段时间就获得了锁，所以它们在线程等待的时候，并不需要把线程挂起，而是让他无目的的循环，一般设置10次。这样就避免了线程切换的开销，极大的提升了性能。

　　而适应性自旋，是赋予了自旋一种学习能力，它并不固定自旋10次一下。他可以根据它前面线程的自旋情况，从而调整它的自旋，甚至是不经过自旋而直接挂起。

2、锁消除

　　什么叫锁消除呢？就是把不必要的同步在编译阶段进行移除。那么有的小伙伴又迷糊了，我自己写的代码我会不知道这里要不要加锁？我加了锁就是表示这边会有同步呀？并不是这样，这里所说的锁消除并不一定指代是你写的代码的锁消除，我打一个比方：

　　在jdk1.5以前，我们的String字符串拼接操作其实底层是StringBuffer来实现的（这个大家可以用我前面介绍的方法，写一个简单的demo，然后查看class文件中的字节码指令就清楚了），而在jdk1.5之后，那么是用StringBuilder来拼接的。我们考虑前面的情况，比如如下代码：

String str1="qwe";
String str2="asd";
String str3=str1+str2;

　　底层实现会变成这样：

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("qwe");
sb.append("asd"); 

　　我们知道，StringBuffer是一个线程安全的类，也就是说两个append方法都会同步，通过指针逃逸分析（就是变量不会外泄），我们发现在这段代码并不存在线程安全问题，这个时候就会把这个同步锁消除。

3、锁粗化

　　在用synchronized的时候，我们都讲究为了避免大开销，尽量同步代码块要小。那么为什么还要加粗呢？
　　我们继续以上面的字符串拼接为例，我们知道在这一段代码中，每一个append都需要同步一次，那么我可以把锁粗化到第一个append和最后一个append（这里不要去纠结前面的锁消除，我只是打个比方）

4、轻量级锁

5、偏向锁

原文参考【Java知音网站】