ReentrantLock 与 synchronized 比较

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性能比较

在 JDK1.5 中,synchronized 是性能低效的。因为这是一个重量级操作,它对性能最大的影响是阻塞的实现,挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成,这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用Java 提供的 Lock 对象,性能更高一些。但与其说 ReetrantLock 性能好,倒不如说 synchronized 还有非常大的优化余地,于是到了 JDK1.6,发生了变化,对 synchronize 加入了很多优化措施,有自适应自旋,锁消除,锁粗化,轻量级锁,偏向锁等等。导致在 JDK1.6 上 synchronized 的性能并不比 Lock 差。官方也表示,他们也更支持 synchronized,在未来的版本中还有优化余地,所以还是提倡在 synchronized 能实现需求的情况下,优先考虑使用 synchronized 来进行同步。

浅析两种锁机制的底层的实现策略

互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题,因而这种同步又称为阻塞同步,它属于一种悲观的并发策略,即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在 CPU 转换线程阻塞时会引起线程上下文切换,当有很多线程竞争锁的时候,会引起 CPU 频繁的上下文切换导致效率很低。synchronized 采用的就是这种并发策略。

随着指令集的发展,我们有了另一种选择:基于冲突检测的乐观并发策略,通俗地讲就是先进性操作,如果没有其他线程争用共享数据,那操作就成功了,如果共享数据被争用,产生了冲突,那就再进行其他的补偿措施(最常见的补偿措施就是不断地重拾,直到试成功为止),这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起,因此这种同步被称为非阻塞同步。ReetrantLock 采用的便是这种并发策略。

在乐观的并发策略中,需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性,它靠硬件指令来保证,这里用的是 CAS 操作(Compare and Swap)。JDK1.5 之后,Java 程序才可以使用CAS操作。我们可以进一步研究 ReentrantLock 的源代码,会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是 compareAndSetState,这里其实就是调用的 CPU 提供的特殊指令。现代的 CPU 提供了指令,可以自动更新共享数据,而且能够检测到其他线程的干扰,而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。这个算法称作非阻塞算法,意思是一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起。

Java 5 中引入了注入 AutomicInteger、AutomicLong、AutomicReference 等特殊的原子性变量类,它们提供的如:compareAndSet()、incrementAndSet()和getAndIncrement()等方法都使用了 CAS 操作。因此,它们都是由硬件指令来保证的原子方法。

用途比较

基本语法上,ReentrantLock 与 synchronized 很相似,它们都具备一样的线程重入特性,只是代码写法上有点区别而已,一个表现为 API 层面的互斥锁(Lock),一个表现为原生语法层面的互斥锁(synchronized)。ReentrantLock 相对 synchronized 而言还是增加了一些高级功能,主要有以下三项:

  • 等待可中断:当持有锁的线程长期不释放锁时,正在等待的线程可以选择放弃等待,改为处理其他事情,它对处理执行时间非常上的同步块很有帮助。而在等待由 synchronized 产生的互斥锁时,会一直阻塞,是不能被中断的。
  • 可实现公平锁:多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序排队等待,而非公平锁则不保证这点,在锁释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized 中的锁是非公平锁,ReentrantLock 默认情况下也是非公平锁,但可以通过构造方法 ReentrantLock(ture)来要求使用公平锁。
  • 锁可以绑定多个条件:ReentrantLock 对象可以同时绑定多个 Condition 对象(名曰:条件变量或条件队列),而在 synchronized 中,锁对象的 wait()和 notify()或 notifyAll()方法可以实现一个隐含条件,但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 则无需这么做,只需要多次调用 newCondition()方法即可。而且我们还可以通过绑定 Condition 对象来判断当前线程通知的是哪些线程(即与 Condition 对象绑定在一起的其他线程)。

使用 ReentrantLock 的最佳时机:

当你需要以下高级特性时,才应该使用:可定时的、可轮询的与可中断的锁获取操作,公平队列,或者非块结构的锁。否则,请使用 synchronized。

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