Java核心技术面试精讲（第十五讲）| synchronized和ReentrantLock有什么区别呢？

我会带着你远行 2022-11-03 05:47 240阅读 0赞

从今天开始，我们将进入 Java 并发学习阶段。软件并发已经成为现代软件开发的基础能力，而 Java 精心设计的高效并发机制，正是构建大规模应用的基础之一，所以考察并发基本功也成为各个公司面试 Java 工程师的必选项。

天我要问你的问题是， synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别？有人说 synchronized 最慢，这话靠谱吗？

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### 典型回答 ###

synchronized 是 Java 内建的同步机制，所以也有人称其为 Intrinsic Locking，它提供了互斥的语义和可见性，当一个线程已经获取当前锁时，其他试图获取的线程只能等待或者阻塞在那里。

在 Java 5 以前，synchronized 是仅有的同步手段，在代码中， synchronized 可以用来修饰方法，也可以使用在特定的代码块儿上，本质上 synchronized 方法等同于把方法全部语句用 synchronized 块包起来。

ReentrantLock，通常翻译为再入锁，是 Java 5 提供的锁实现，它的语义和 synchronized 基本相同。再入锁通过代码直接调用 lock() 方法获取，代码书写也更加灵活。与此同时，ReentrantLock 提供了很多实用的方法，能够实现很多 synchronized 无法做到的细节控制，比如可以控制 fairness，也就是公平性，或者利用定义条件等。但是，编码中也需要注意，必须要明确调用 unlock() 方法释放，不然就会一直持有该锁。

synchronized 和 ReentrantLock 的性能不能一概而论，早期版本 synchronized 在很多场景下性能相差较大，在后续版本进行了较多改进，在低竞争场景中表现可能优于 ReentrantLock。

### 考点分析 ###

今天的题目是考察并发编程的常见基础题，我给出的典型回答算是一个相对全面的总结。

对于并发编程，不同公司或者面试官面试风格也不一样，有个别大厂喜欢一直追问你相关机制的扩展或者底层，有的喜欢从实用角度出发，所以你在准备并发编程方面需要一定的耐心。

我认为，锁作为并发的基础工具之一，你至少需要掌握：

*  理解什么是线程安全。
 *  synchronized、ReentrantLock 等机制的基本使用与案例。

更进一步，你还需要：掌握 synchronized、ReentrantLock 底层实现；

*  理解锁膨胀、降级；理解偏斜锁、自旋锁、轻量级锁、重量级锁等概念。
 *  掌握并发包中 java.util.concurrent.lock 各种不同实现和案例分析。

### 知识扩展 ###

专栏前面几期穿插了一些并发的概念，有同学反馈理解起来有点困难，尤其对一些并发相关概念比较陌生，所以在这一讲，我也对会一些基础的概念进行补充。

首先，我们需要理解什么是线程安全。

我建议阅读 Brain Goetz 等专家撰写的《Java 并发编程实战》（Java Concurrency in Practice），虽然可能稍显学究，但不可否认这是一本非常系统和全面的 Java 并发编程书籍。按照其中的定义，线程安全是一个多线程环境下正确性的概念，也就是保证多线程环境下共享的、可修改的状态的正确性，这里的状态反映在程序中其实可以看作是数据。

换个角度来看，如果状态不是共享的，或者不是可修改的，也就不存在线程安全问题，进而可以推理出保证线程安全的两个办法：

*  封装：通过封装，我们可以将对象内部状态隐藏、保护起来。
 *  不可变：还记得我们在专栏第 3 讲强调的 final 和 immutable 吗，就是这个道理，Java 语言目前还没有真正意义上的原生不可变，但是未来也许会引入。

线程安全需要保证几个基本特性：

*  原子性，简单说就是相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现。
 *  可见性，是一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile 就是负责保证可见性的。
 *  有序性，是保证线程内串行语义，避免指令重排等。

可能有点晦涩，那么我们看看下面的代码段，分析一下原子性需求体现在哪里。这个例子通过取两次数值然后进行对比，来模拟两次对共享状态的操作。

你可以编译并执行，可以看到，仅仅是两个线程的低度并发，就非常容易碰到 former 和 latter 不相等的情况。这是因为，在两次取值的过程中，其他线程可能已经修改了 sharedState。

public class ThreadSafeSample {
      public int sharedState;
      public void nonSafeAction() {
          while (sharedState < 100000) {
              int former = sharedState++;
              int latter = sharedState;
              if (former != latter - 1) {
                  System.out.printf("Observed data race, former is " +
                          former + ", " + "latter is " + latter);
              }
          }
      }
    
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          ThreadSafeSample sample = new ThreadSafeSample();
          Thread threadA = new Thread(){
              public void run(){
                  sample.nonSafeAction();
              }
          };
          Thread threadB = new Thread(){
              public void run(){
                  sample.nonSafeAction();
              }
          };
          threadA.start();
          threadB.start();
          threadA.join();
          threadB.join();
      }
    }

下面是在我的电脑上的运行结果：

C:\>c:\jdk-9\bin\java ThreadSafeSample
    Observed data race, former is 13097, latter is 13099

将两次赋值过程用 synchronized 保护起来，使用 this 作为互斥单元，就可以避免别的线程并发的去修改 sharedState。

synchronized (this) {
      int former = sharedState ++;
      int latter = sharedState;
      // …
    }

如果用 javap 反编译，可以看到类似片段，利用 monitorenter/monitorexit 对实现了同步的语义：

11: astore_1
    12: monitorenter
    13: aload_0
    14: dup
    15: getfield    #2                // Field sharedState:I
    18: dup_x1
    …
    56: monitorexit

我会在下一讲，对 synchronized 和其他锁实现的更多底层细节进行深入分析。

代码中使用 synchronized 非常便利，如果用来修饰静态方法，其等同于利用下面代码将方法体囊括进来：

synchronized (ClassName.class) {}

再来看看 ReentrantLock。你可能好奇什么是再入？它是表示当一个线程试图获取一个它已经获取的锁时，这个获取动作就自动成功，这是对锁获取粒度的一个概念，也就是锁的持有是以线程为单位而不是基于调用次数。Java 锁实现强调再入性是为了和 pthread 的行为进行区分。

再入锁可以设置公平性（fairness），我们可在创建再入锁时选择是否是公平的。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

这里所谓的公平性是指在竞争场景中，当公平性为真时，会倾向于将锁赋予等待时间最久的线程。公平性是减少线程“饥饿”（个别线程长期等待锁，但始终无法获取）情况发生的一个办法。

如果使用 synchronized，我们根本无法进行公平性的选择，其永远是不公平的，这也是主流操作系统线程调度的选择。通用场景中，公平性未必有想象中的那么重要，Java 默认的调度策略很少会导致 “饥饿”发生。与此同时，若要保证公平性则会引入额外开销，自然会导致一定的吞吐量下降。所以，我建议只有当你的程序确实有公平性需要的时候，才有必要指定它。

我们再从日常编码的角度学习下再入锁。为保证锁释放，每一个 lock() 动作，我建议都立即对应一个 try-catch-finally，典型的代码结构如下，这是个良好的习惯。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);// 这里是演示创建公平锁，一般情况不需要。
    fairLock.lock();
    try {
      // do something
    } finally {
       fairLock.unlock();
    }

ReentrantLock 相比 synchronized，因为可以像普通对象一样使用，所以可以利用其提供的各种便利方法，进行精细的同步操作，甚至是实现 synchronized 难以表达的用例，如：

*  带超时的获取锁尝试。
 *  可以判断是否有线程，或者某个特定线程，在排队等待获取锁。
 *  可以响应中断请求。
 *  ...

这里我特别想强调条件变量（java.util.concurrent.Condition），如果说 ReentrantLock 是 synchronized 的替代选择，Condition 则是将 wait、notify、notifyAll 等操作转化为相应的对象，将复杂而晦涩的同步操作转变为直观可控的对象行为。

条件变量最为典型的应用场景就是标准类库中的 ArrayBlockingQueue 等。

我们参考下面的源码，首先，通过再入锁获取条件变量：

/** Condition for waiting takes */
    private final Condition notEmpty;
    
    /** Condition for waiting puts */
    private final Condition notFull;
     
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
      if (capacity <= 0)
          throw new IllegalArgumentException();
      this.items = new Object[capacity];
      lock = new ReentrantLock(fair);
      notEmpty = lock.newCondition();
      notFull =  lock.newCondition();
    }

两个条件变量是从同一再入锁创建出来，然后使用在特定操作中，如下面的 take 方法，判断和等待条件满足：

public E take() throws InterruptedException {
      final ReentrantLock lock = this.lock;
      lock.lockInterruptibly();
      try {
          while (count == 0)
              notEmpty.await();
          return dequeue();
      } finally {
          lock.unlock();
      }
    }

当队列为空时，试图 take 的线程的正确行为应该是等待入队发生，而不是直接返回，这是 BlockingQueue 的语义，使用条件 notEmpty 就可以优雅地实现这一逻辑。

那么，怎么保证入队触发后续 take 操作呢？请看 enqueue 实现：

private void enqueue(E e) {
      // assert lock.isHeldByCurrentThread();
      // assert lock.getHoldCount() == 1;
      // assert items[putIndex] == null;
      final Object[] items = this.items;
      items[putIndex] = e;
      if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
      count++;
      notEmpty.signal(); // 通知等待的线程，非空条件已经满足
    }

通过 signal/await 的组合，完成了条件判断和通知等待线程，非常顺畅就完成了状态流转。注意，signal 和 await 成对调用非常重要，不然假设只有 await 动作，线程会一直等待直到被打断（interrupt）。

从性能角度，synchronized 早期的实现比较低效，对比 ReentrantLock，大多数场景性能都相差较大。但是在 Java 6 中对其进行了非常多的改进，可以参考性能对比，在高竞争情况下，ReentrantLock 仍然有一定优势。我在下一讲进行详细分析，会更有助于理解性能差异产生的内在原因。在大多数情况下，无需纠结于性能，还是考虑代码书写结构的便利性、可维护性等。

今天，作为专栏进入并发阶段的第一讲，我介绍了什么是线程安全，对比和分析了 synchronized 和 ReentrantLock，并针对条件变量等方面结合案例代码进行了介绍。下一讲，我将对锁的进阶内容进行源码和案例分析。

### 一课一练 ###

关于今天我们讨论的 synchronized 和 ReentrantLock 你做到心中有数了吗？思考一下，你使用过 ReentrantLock 中的哪些方法呢？分别解决什么问题？

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### 其他经典回答 ###

以下来自网友公号-技术夜未眠的回答：

ReentrantLock是Lock的实现类，是一个互斥的同步器，在多线程高竞争条件下，ReentrantLock比synchronized有更加优异的性能表现。  
  
1 用法比较  
Lock使用起来比较灵活，但是必须有释放锁的配合动作  
Lock必须手动获取与释放锁，而synchronized不需要手动释放和开启锁  
Lock只适用于代码块锁，而synchronized可用于修饰方法、代码块等   
  
2 特性比较  
ReentrantLock的优势体现在：  
具备尝试非阻塞地获取锁的特性：当前线程尝试获取锁，如果这一时刻锁没有被其他线程获取到，则成功获取并持有锁  
能被中断地获取锁的特性：与synchronized不同，获取到锁的线程能够响应中断，当获取到锁的线程被中断时，中断异常将会被抛出，同时锁会被释放  
超时获取锁的特性：在指定的时间范围内获取锁；如果截止时间到了仍然无法获取锁，则返回  
  
3 注意事项  
在使用ReentrantLock类的时，一定要注意三点：  
在finally中释放锁，目的是保证在获取锁之后，最终能够被释放  
不要将获取锁的过程写在try块内，因为如果在获取锁时发生了异常，异常抛出的同时，也会导致锁无故被释放。  
ReentrantLock提供了一个newCondition的方法，以便用户在同一锁的情况下可以根据不同的情况执行等待或唤醒的动作。

以下来自网友逐梦之音的回答：

一直在研究JUC方面的。所有的Lock都是基于AQS来实现了。AQS和Condition各自维护了不同的队列，在使用lock和condition的时候，其实就是两个队列的互相移动。如果我们想自定义一个同步器，可以实现AQS。它提供了获取共享锁和互斥锁的方式，都是基于对state操作而言的。ReentranLock这个是可重入的。其实要弄明白它为啥可重入的呢，咋实现的呢。其实它内部自定义了同步器Sync，这个又实现了AQS，同时又实现了AOS，而后者就提供了一种互斥锁持有的方式。其实就是每次获取锁的时候，看下当前维护的那个线程和当前请求的线程是否一样，一样就可重入了。

以下来自网友Jerry银银的回答：

先说说点学习感受：  
并发领域的知识点很多也很散，并且知识点之间交错的。比如：synchronized，这个小小的关键字，能够彻底理解它，需要的知识储备有：基本使用场景、对锁的理解、对线程安全的理解、对同步语义的理解、对JMM的理解等等。有时候，一个知识点暂时做不到透彻理解，可能是正常的，需要再继续学习其它的知识点，等到一定时候，回过头来重新学习，会有一种柳暗花明又一村的感觉。我想，这也可能是老师提到的：并发领域相关知识的准备，需要点耐心。  
  
再说说这篇专栏：  
这篇专栏，在知识扩展部分，我觉得结构不是太清晰。我读了很多遍之后，还是有这种感觉：文章讲了很多东西，但是我却很难说出文章的主题。  
为此，我自己总结了一下知识扩展部分的主线：  
1. 进入并发领域，首先需要理解什么是线程安全，为什么会存在线程不安全，又为什么需要线程安全。这个知识点可参考《Java并发编程实践》，并且我也认为对于线程安全的讲解，这本书堪称权威；  
2. 老师在讲解线程安全这个点的时候，顺其自然地使用了synchronized和ReentrantLock来保证线程安全（即：Java提供的锁机制）同时，老师也稍微讲解了一下synchronized和ReentrantLock的使用和区别；  
3. 最后，老师举了一个ReentrantLock的典型使用场景：ArrayBlockingQueue。ArrayBlockingQueue使用ReentrantLock来实现加锁机制，保证队列的安全读取，并且使用Condition来实现队列阻塞的条件判断和读写端唤醒，特别提一句：具体的实现代码是相当的优雅！

以下来自网友豆子高的回答：

看了杨老师的讲解，其实也不是很理解，这块儿平时也不怎么注意学习，每次都是要面试了临时抱佛脚，不过这次算是一次比较全面的学习，下面记录一下我的学习结果（比较简略，算是一个要点大纲，说错的的地方希望各位老师同学给个指点）：  
Synchronize与ReentrantLock都是属于阻塞式同步，即当前线程正在执行时，其他线程都会阻塞在同步块外等待。（因为线程的唤起和阻塞代价都比较高，所以一般锁的优化都是往这方面考虑）  
  
Synchronize（以下简称S）  
S是一个关键字，用于修饰方法和代码块，加锁和释放锁都是通过JVM的编译器来自动实现的，所以属于JVM层面的锁机制；  
  
S竞争锁的时候无法设置超时时间，所以是一直等待的，这样会导致死锁，不过这是S优化前会出现的问题，优化后，S引入了偏向锁、轻量级锁，就好用很多。S的优化借鉴了R的CAS技术（无锁算法），在用户态就试图进行加锁；  
  
S控制等待和唤醒线程需要结合Object对象的wait()当前线程休眠且释放锁;和notify()获得锁;和notifyAll();方法；  
  
S在代码块完成或出现异常的时候自动释放锁。  
  
  
  
ReentrantLock（以下简称R）  
R是一种再入锁，手动上锁，通过实现JDK的API接口lock方法和unlock来实现加锁和释放锁，所以是一种JDK层面的锁机制；  
  
R竞争锁的时候可以设置超时时间，会尝试获得锁，若线程长时间得不到锁会选择放弃等待（通过lockInterruptibly来实现）（等待可中断）；  
  
R可实现公平锁，针对等待的线程采取先到先得的措施；  
  
R控制等待和唤醒线程需要结合Condition的await();和signal();和signalAll();方法；  
  
R不会自动释放锁，需要使用finally\{\}手动释放unlock；  
  
R提供了一些高级功能：  
  
1、等待可中断；  
  
2、公平锁；  
  
R是基于AQS（AbstractQueueSynchronize）和LockSupport，AQS主要利用CAS实现轻量级的同步，AQS本质是一个同步器/阻塞锁的基础框架，主要提供加锁和释放锁。在内部维护一个FIFO的等待队列，用于存储由于锁竞争而阻塞的线程，使用链表作为队列，volatile作为变量，state作为锁状态标识。  
  
CAS是一种无锁算法，一种可以实现线程同步的原子操作。有三个参数，内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B，当且仅当V=A的时候，才会将V修改成B。