synchronized & ReentrantLock总结

CAS

CAS缺陷

synchronized关键字

Synchronized（操作系统控制实现），它就是一个：非公平，悲观，独享，互斥，可重入的重量级锁

保证线程的原子性：被保护的代码块是一次被执行的，没有任何线程会同时访问；

保证线程的可见性：当执行完synchronized之后，修改后的变量对其他的线程是可见的。

synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。

三种使用

• 修饰普通方法—>对象（内置）锁
• 修饰代码块—> this
• 修饰静态方法 ----> 类锁

优点

在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的。

首先，synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题。 ps：可重入：一个线程获取到锁之后可以无限次地进入该临界区 (通过调用lock.lock())。当然同样也需要等同次数的unlock操作

其次，同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。

synchronized是在JVM层面上实现的，不但可以通过一些监控工具监控synchronized的锁定，而且在代码执行时出现异常，JVM会自动释放锁定，但是使用Lock则不行，lock是通过代码实现的，要保证锁定一定会被释放，就必须将unLock()放到finally{}中

缺点

Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到核心态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。所以synchronized是Java语言中一个重量级的操作。

底层原理

使用JAVA对象的内置锁（监视器，也可以理解为锁标记）来讲代码块(方法)锁定的！

• 同步代码块：monitorenter和monitorexit指令实现的

  JVM会为每个对象分配一个monitor，而同时只能有一个线程可以获得该对象monitor的所有权。在线程进入时通过monitorenter尝试取得对象monitor所有权，退出时通过monitorexit释放对象monitor所有权。

  其内部包含一个计数器，当计数器为0则可以成功获取，获取后将锁计数器设为1也就是加1。相应的在执行monitorexit指令后，将锁计数器设为0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

• 同步方法：没有monitorenter和monitorexit指令，取而代之的是方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED标识实现。该标识指明该方法是一个同步方法，JVM通过该标识来辨别一个方法是否为同步方法，从而执行相应的同步调用。

synchronized底层是是通过monitor对象，对象有自己的对象头，存储了很多信息，其中一个信息标示是被哪个线程持有。

monitorenter与monitorexit在编译后对称插入代码。

• monitorenter: 被插入到同步代码块之前。
• monitorexit: 被插到同步代码块之后或异常处。

锁升级

synchronized锁升级原理：

• 在锁对象的对象头里面有一个threadid字段，在第一次访问的时候threadid为空，jvm让其持有偏向锁，并将threadid设置为其线程id；
• 再次进入的时候会先判断threadid是否与其线程id 一致，如果一致则可以直接使用此对象，如果不一致， 则升级偏向锁为轻量级锁，通过自旋循环一定次数来获取锁；
• 执行一定次数之后，如果还没有正常获取到要使用的对象，此时就会把锁从轻量级升级为重量级锁，此过程就构成了synchronized锁的升级。

锁的升级的目的：锁升级是为了减低了锁带来的性能消耗。在Java 6之后优化synchronized的实现方式，使用了偏向锁升级为轻量级锁再升级到重量级锁的方式，从而减低了锁带来的性能消耗。

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ReentrantReadWriteLocK

ReentrantReadWriteLocK，它是一个，默认非公平但可实现公平的，悲观，写独享，读共享，读写，可重入，重量级锁。

ReentrantLock

ReentrantLock，它是一个：默认非公平但可实现公平的，悲观，独享，互斥，可重入，重量级锁。

ReentrantLock与synchronized很相似，他们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别，一个表现为API层面的互斥锁（lock（）和unlock（）方法配合try/finally语句块来完成），另一个表现为原生语法层面的互斥锁。不过，相比synchronized,ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有以下3项：等待可中断、可实现公平锁，以及锁可以绑定多个条件。

获取锁的三种方式

1. lock() ：如果获取了锁立即返回，如果别的线程持有锁，当前线程则一直处于休眠状态，直到获取锁；
2. tryLock() : 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；
3. tryLock(long timeout, TimeUnit unit) : 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；

lockInterruptibly: 如果获取了锁定立即返回，如果没有获取锁定，当前线程处于休眠状态，直到获取锁定，或者当前线程被别的线程中断

等待可中断

等待可中断是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。

如果使用 synchronized ，如果A不释放，B将一直等下去，不能被中断

如果 使用ReentrantLock，如果A不释放，可以使B在等待了足够长的时间以后，中断等待，而干别的事情

可实现公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁；而非公平锁则不保证这一点，在锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。

非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。

锁可绑定多个条件

锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这样做，只需要多次调用newCondition（）方法即可。

AQS

AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在java.util.concurrent.locks包下面。AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

1. AQS是一个锁框架，它定义了锁的实现机制，并开放出扩展的地方，让子类去实现，比如我们在lock的时候，AQS开放出state 字段，让子类可以根据state字段来决定是否能够获得锁，对于获取不到锁的线程AQS会自动进行管理，无需子类锁关心，这就是lock时锁的内部机制，封装的很好，又暴露出子类锁需要扩展的地方;
2. AQS底层是由同步队列+条件队列联手组成，同步队列管理着获取不到锁的线程的排队和释放，条件队列是在一定场景下，对同步队列的补充，比如获得锁的线程从空队列中拿数据，肯定是拿不到数据的，这时候条件队列就会管理该线程，使该线程阻塞;
3. AQS围绕两个队列，提供了四大场景，分别是:获得锁、释放锁、条件队列的阻塞，条件队列的唤醒，分别对应着AQS架构图中的四种颜色的线的走向。

AQS原理

AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配

AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
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状态信息通过procted类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作

//返回同步状态的当前值 
protected final int getState() { 
    return state; 
}
// 设置同步状态的值 
protected final void setState(int newState) { 
    state = newState; 
}
//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值） 
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { 
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); 
}
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AQS定义两种资源共享方式

• Exclusive（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：
  1. 公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
  2. 非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的
• Share（共享）：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。

AQS使用的设计模式——模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：

• 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
• 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用。

AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法：

isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。 
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。 
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。 
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
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默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException 。 这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。

以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS(Compare and Swap)减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现 tryAcquire-tryRelease 、ryAcquireShared-tryReleaseShared 中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如 ReentrantReadWriteLock 。

AQS组件

• Semaphore信号量)——允许多个线程同时访问：synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。
• CountDownLatch （倒计时器）： CountDownLatch是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。
• CyclicBarrier(循环栅栏)： CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。CyclicBarrier的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

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二者应用场景

在资源竞争不是很激烈的情况下，Synchronized的性能要优于ReetrantLock，但是在资源竞争很激烈的情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能能维持常态；

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今日推歌

—《泊舟借梦》

某一夜灯潮迭起
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江湖故事太多
将停泊哪篇
曾蜀中问道紫竹海提灯照夜
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风沙中听过人间誓言
跋涉风雪也曾山中拜寻剑仙