深入分析 Java Lock 同步鎖

• 2020 年 12 月 8 日
• 筆記

前言

Java 的鎖實現，有 Synchronized 和 Lock。上一篇文章深入分析了 Synchronized 的實現原理：由Java 15廢棄偏向鎖，談談Java Synchronized 的鎖機制。

本篇文章深入分析 Lock 的實現，以及對比其與 Synchronized 的不同。

Synchronized 與 Lock 的對比

• 實現方式：Synchronized 由 JVM 實現；Lock 由 Java 底層程式碼實現
• 鎖獲取：Synchronized 是 JVM 隱式獲取，不用 Java 程式碼；Lock 由 Java 程式碼實現，有多種獲取方式
• 鎖的釋放：Synchronized 是 JVM 隱式釋放，不用 Java 程式碼；Lock 可通過 Lock.unlock()，在 finally 中釋放
• 鎖的類型：Synchronized 是非公平、可重入的，Lock 是非公平性、公平性、可重入的
• 鎖的中斷：Synchronized 不支援中斷，Lock 支援中斷

實現原理

Lock 是一個介面類，其介面方法定義：

• lock()：獲取鎖
• lockInterruptibly()：如果當前執行緒未被中斷，則獲取鎖，可以響應中斷
• tryLock()：僅在調用時鎖為空閑狀態才獲取該鎖，可以響應中斷
• tryLock(long time, TimeUnit unit)：如果鎖在給定的等待時間內空閑，並且當前執行緒未被中斷，則獲取鎖
• unlock()：釋放鎖
• newCondition()：返回綁定到此 Lock 實例的新 Condition 實例

基礎原理就不贅述了，Lock 介面的常用類：

• ReentrantLock（重入鎖）
• ReentrantReadWriteLock（可重入的讀寫鎖）

其都是依賴 AQS 實現的。AQS 類結構中包含一個基於鏈表實現的等待隊列（CLH 隊列），用於存儲所有阻塞的執行緒，AQS 中還有一個 state 變數，表示加鎖狀態。

ReentrantLock

ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock 是獨佔鎖，對於同一份數據，如果一個執行緒讀數據，另一個執行緒在寫數據，那麼讀到的數據與最終的數據可能不一致。

在實際的業務場景中，讀操作遠遠大於寫操作。在多執行緒編程中，讀操作不會修改共享資源的數據。針對讀多寫少的場景，我們可以使用 ReentrantReadWriteLock 來優化，ReentrantReadWriteLock 內部維護了 2 個鎖：讀鎖 ReadLock，寫鎖 WriteLock。

規則簡單概括為：

• 如果寫鎖沒有被佔用，就可以獲取讀鎖
• 如果讀鎖沒有被佔用，才可以獲取寫鎖

下面的測試程式碼，因為讀鎖和寫鎖是同時 lock 的，所以會死鎖。

@Test
public void testReadWriteLock() {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.readLock().lock();
    lock.writeLock().lock();
    System.out.println("Hello");
    lock.readLock().unlock();
    lock.writeLock().unlock();
}

StampedLock

上述 ReentrantReadWriteLock 會有一個問題：在讀很多，寫很少的情況下，執行緒會因一直無法獲取到鎖而處於等待狀態。

在 JDK 1.8 中，Java 提供了 StampedLock，有三種模式:

• 寫
• 悲觀讀
• 樂觀讀

一個寫執行緒獲取寫鎖，通過 WriteLock 獲取票據 stamp，WriteLock 是一個獨佔鎖，unlockWrite 需要傳遞參數 stamp。

不一樣的地方在於讀過程。執行緒會先通過樂觀鎖 tryOptimisticRead 獲取票據 stamp，如果當前沒有執行緒持有寫鎖，則會返回一非 0 的 stamp 資訊。執行緒獲取該 stamp 後，會拷貝一份共享資源到房發展。

之後方法還需要調用 validate，驗證之前調用 tryOptimisticRead 返回的 stamp 在當前是否有其它執行緒持有了寫鎖，如果是，那麼 validate 會返回 0，升級為悲觀鎖；否則就可以使用該 stamp 版本的鎖對數據進行操作。

總結

相比於 Synchronized 同步鎖，Lock 實現的鎖更加靈活：

• 可以分為讀寫鎖，優化讀大於寫的場景
• 可以中斷
• 可以超時
• 可以區分公平性

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