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Java中提供synchronized后还要提供Lock的原因是什么

摘要:在Java中提供了synchronized关键字来保证只有一个线程能够访问同步代码块。既然已经提供了synchronized关键字,那为何在Java的SDK包中,还会提供Lock接口呢?这是不是重复造轮子,多此一举呢?今天,我们就一起来探讨下这个问题。在Java中提供了synchronized关键字来保证只有一个线程能够访问同步代码块。既然已经提供了synchronized关键字,那为何在Java的SDK包中,还会提供Lock接口呢?这是不是重复造轮子,多此一举呢?今天,我们就一起来探讨下这个问题。

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     摘要: 在Java中提供了synchronized关键字来保证只有一个线程能够访问同步代码块。既然已经提供了synchronized关键字,那为何在Java的SDK包中,还会提供Lock接口呢?这是不是重复造轮子,多此一举呢?今天,我们就一起来探讨下这个问题。

    在Java中提供了synchronized关键字来保证只有一个线程能够访问同步代码块。既然已经提供了synchronized关键字,那为何在Java的SDK包中,还会提供Lock接口呢?这是不是重复造轮子,多此一举呢?今天,我们就一起来探讨下这个问题。

    问题?

    既然JVM中提供了synchronized关键字来保证只有一个线程能够访问同步代码块,为何还要提供Lock接口呢?这是在重复造轮子吗?Java的设计者们为何要这样做呢?让我们一起带着疑问往下看。

    一、为何提供Lock接口?

    很多小伙伴可能会听说过,在Java 1.5版本中,synchronized的性能不如Lock,但在Java 1.6版本之后,synchronized做了很多优化,性能提升了不少。那既然synchronized关键字的性能已经提升了,那为何还要使用Lock呢?

    如果我们向更深层次思考的话,就不难想到了:我们使用synchronized加锁是无法主动释放锁的,这就会涉及到死锁的问题。

    二、死锁问题

    如果要发生死锁,则必须存在以下四个必要条件,四者缺一不可。

    Java中提供synchronized后还要提供Lock的原因是什么

    • 互斥条件

    在一段时间内某资源仅为一个线程所占有。此时若有其他线程请求该资源,则请求线程只能等待。

    • 不可剥夺条件

    线程所获得的资源在未使用完毕之前,不能被其他线程强行夺走,即只能由获得该资源的线程自己来释放(只能是主动释放)。

    • 请求与保持条件

    线程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源已被其他线程占有,此时请求线程被阻塞,但对自己已获得的资源保持不放。

    • 循环等待条件

    在发生死锁时必然存在一个进程等待队列{P1,P2,…,Pn},其中P1等待P2占有的资源,P2等待P3占有的资源,…,Pn等待P1占有的资源,形成一个进程等待环路,环路中每一个进程所占有的资源同时被另一个申请,也就是前一个进程占有后一个进程所深情地资源。

    三、synchronized的局限性

    如果我们的程序使用synchronized关键字发生了死锁时,synchronized关键是是无法破坏“不可剥夺”这个死锁的条件的。这是因为synchronized申请资源的时候, 如果申请不到, 线程直接进入阻塞状态了, 而线程进入阻塞状态, 啥都干不了, 也释放不了线程已经占有的资源。

    然而,在大部分场景下,我们都是希望“不可剥夺”这个条件能够被破坏。也就是说对于“不可剥夺”这个条件,占用部分资源的线程进一步申请其他资源时, 如果申请不到, 可以主动释放它占有的资源, 这样不可剥夺这个条件就破坏掉了。

    如果我们自己重新设计锁来解决synchronized的问题,我们该如何设计呢?

    四、解决问题

    了解了synchronized的局限性之后,如果是让我们自己实现一把同步锁,我们该如何设计呢?也就是说,我们在设计锁的时候,要如何解决synchronized的局限性问题呢?这里,我觉得可以从三个方面来思考这个问题。

    Java中提供synchronized后还要提供Lock的原因是什么

    (1)能够响应中断。 synchronized的问题是, 持有锁A后, 如果尝试获取锁B失败, 那么线程就进入阻塞状态, 一旦发生死锁, 就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。 但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号, 也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候, 能够唤醒它, 那它就有机会释放曾经持有的锁A。 这样就破坏了不可剥夺条件了。

    (2)支持超时。 如果线程在一段时间之内没有获取到锁, 不是进入阻塞状态, 而是返回一个错误, 那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。 这样也能破坏不可剥夺条件。

    (3)非阻塞地获取锁。 如果尝试获取锁失败, 并不进入阻塞状态, 而是直接返回, 那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。 这样也能破坏不可剥夺条件。

    体现在Lock接口上,就是Lock接口提供的三个方法,

    如下所示:

    // 支持中断的API
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    // 支持超时的API
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    // 支持非阻塞获取锁的API
    boolean tryLock();
    • lockInterruptibly()

    支持中断。

    • tryLock()方法

    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,也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

    • tryLock(long time, TimeUnit unit)方法

    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。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。

    也就是说,对于死锁问题,Lock能够破坏不可剥夺的条件,例如,我们下面的程序代码就破坏了死锁的不可剥夺的条件。

    public class TansferAccount{
        private Lock thisLock = new ReentrantLock();
        private Lock targetLock = new ReentrantLock();
        //账户的余额
        private Integer balance;
        //转账操作
        public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){
            boolean isThisLock = thisLock.tryLock();
            if(isThisLock){
                try{
                    boolean isTargetLock = targetLock.tryLock();
                    if(isTargetLock){
                        try{
                             if(this.balance >= transferMoney){
                                this.balance -= transferMoney;
                                target.balance += transferMoney;
                            }   
                        }finally{
                            targetLock.unlock
                        }
                    }
                }finally{
                    thisLock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    例外,Lock下面有一个ReentrantLock,而ReentrantLock支持公平锁和非公平锁。

    在使用ReentrantLock的时候, ReentrantLock中有两个构造函数, 一个是无参构造函数, 一个是传入fair参数的构造函数。 fair参数代表的是锁的公平策略, 如果传入true就表示需要构造一个公平锁, 反之则表示要构造一个非公平锁。如下代码片段所示。

    //无参构造函数: 默认非公平锁
    public ReentrantLock() {
    	sync = new NonfairSync();
    } 
    //根据公平策略参数创建锁
    public ReentrantLock(boolean fair){
    	sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    锁的实现在本质上都对应着一个入口等待队列, 如果一个线程没有获得锁, 就会进入等待队列, 当有线程释放锁的时候, 就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。 如果是公平锁, 唤醒的策略就是谁等待的时间长, 就唤醒谁, 很公平; 如果是非公平锁, 则不提供这个公平保证, 有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。 而Lock是支持公平锁的,synchronized不支持公平锁。

    最后,值得注意的是,在使用Lock加锁时,一定要在finally{}代码块中释放锁,例如,下面的代码片段所示。

    try{
        lock.lock();
    }finally{
        lock.unlock();
    }

    注:其他synchronized和Lock的详细说明,小伙伴们自行查阅即可。

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