【高併發】面試官：Java中提供了synchronized，為什麼還要提供Lock呢？

冰河團隊發表於2020-09-16
面試Javasynchronized

寫在前面

在Java中提供了synchronized關鍵字來保證只有一個執行緒能夠訪問同步程式碼塊。既然已經提供了synchronized關鍵字，那為何在Java的SDK包中，還會提供Lock介面呢？這是不是重複造輪子，多此一舉呢？今天，我們就一起來探討下這個問題。

再造輪子？

既然JVM中提供了synchronized關鍵字來保證只有一個執行緒能夠訪問同步程式碼塊，為何還要提供Lock介面呢？這是在重複造輪子嗎？Java的設計者們為何要這樣做呢？讓我們一起帶著疑問往下看。

為何提供Lock介面？

很多小夥伴可能會聽說過，在Java 1.5版本中，synchronized的效能不如Lock，但在Java 1.6版本之後，synchronized做了很多優化，效能提升了不少。那既然synchronized關鍵字的效能已經提升了，那為何還要使用Lock呢？

如果我們向更深層次思考的話，就不難想到了：我們使用synchronized加鎖是無法主動釋放鎖的，這就會涉及到死鎖的問題。

死鎖問題

如果要發生死鎖，則必須存在以下四個必要條件，四者缺一不可。

  • 互斥條件

在一段時間內某資源僅為一個執行緒所佔有。此時若有其他執行緒請求該資源，則請求執行緒只能等待。

  • 不可剝奪條件

執行緒所獲得的資源在未使用完畢之前，不能被其他執行緒強行奪走，即只能由獲得該資源的執行緒自己來釋放（只能是主動釋放)。

  • 請求與保持條件

執行緒已經保持了至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源已被其他執行緒佔有，此時請求執行緒被阻塞，但對自己已獲得的資源保持不放。

  • 迴圈等待條件

在發生死鎖時必然存在一個程式等待佇列{P1,P2,…,Pn},其中P1等待P2佔有的資源，P2等待P3佔有的資源，…，Pn等待P1佔有的資源，形成一個程式等待環路，環路中每一個程式所佔有的資源同時被另一個申請，也就是前一個程式佔有後一個程式所深情地資源。

synchronized的侷限性

如果我們的程式使用synchronized關鍵字發生了死鎖時，synchronized關鍵是是無法破壞“不可剝奪”這個死鎖的條件的。這是因為synchronized申請資源的時候， 如果申請不到， 執行緒直接進入阻塞狀態了， 而執行緒進入阻塞狀態， 啥都幹不了， 也釋放不了執行緒已經佔有的資源。

然而，在大部分場景下，我們都是希望“不可剝奪”這個條件能夠被破壞。也就是說對於“不可剝奪”這個條件，佔用部分資源的執行緒進一步申請其他資源時， 如果申請不到， 可以主動釋放它佔有的資源， 這樣不可剝奪這個條件就破壞掉了。

如果我們自己重新設計鎖來解決synchronized的問題，我們該如何設計呢？

解決問題

瞭解了synchronized的侷限性之後，如果是讓我們自己實現一把同步鎖，我們該如何設計呢？也就是說，我們在設計鎖的時候，要如何解決synchronized的侷限性問題呢？這裡，我覺得可以從三個方面來思考這個問題。

（1）能夠響應中斷。 synchronized的問題是， 持有鎖A後， 如果嘗試獲取鎖B失敗， 那麼執行緒就進入阻塞狀態， 一旦發生死鎖， 就沒有任何機會來喚醒阻塞的執行緒。 但如果阻塞狀態的執行緒能夠響應中斷訊號， 也就是說當我們給阻塞的執行緒傳送中斷訊號的時候， 能夠喚醒它， 那它就有機會釋放曾經持有的鎖A。 這樣就破壞了不可剝奪條件了。

（2）支援超時。 如果執行緒在一段時間之內沒有獲取到鎖， 不是進入阻塞狀態， 而是返回一個錯誤， 那這個執行緒也有機會釋放曾經持有的鎖。 這樣也能破壞不可剝奪條件。

（3）非阻塞地獲取鎖。 如果嘗試獲取鎖失敗， 並不進入阻塞狀態， 而是直接返回， 那這個執行緒也有機會釋放曾經持有的鎖。 這樣也能破壞不可剝奪條件。

體現在Lock介面上，就是Lock介面提供的三個方法，如下所示。

// 支援中斷的API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 支援超時的API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 支援非阻塞獲取鎖的API
boolean tryLock();
  • lockInterruptibly()

支援中斷。

  • tryLock()方k

tryLock()方法是有返回值的，它表示用來嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則返回true，如果獲取失敗（即鎖已被其他執行緒獲取），則返回false，也就說這個方法無論如何都會立即返回。在拿不到鎖時不會一直在那等待。

  • tryLock(long time, TimeUnit unit)方法

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是類似的，只不過區別在於這個方法在拿不到鎖時會等待一定的時間，在時間期限之內如果還拿不到鎖，就返回false。如果一開始拿到鎖或者在等待期間內拿到了鎖，則返回true。

也就是說，對於死鎖問題，Lock能夠破壞不可剝奪的條件，例如，我們下面的程式程式碼就破壞了死鎖的不可剝奪的條件。

public class TansferAccount{
    private Lock thisLock = new ReentrantLock();
    private Lock targetLock = new ReentrantLock();
    //賬戶的餘額
    private Integer balance;
    //轉賬操作
    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下面有一個ReentrantLock，而ReentrantLock支援公平鎖和非公平鎖。

在使用ReentrantLock的時候， ReentrantLock中有兩個建構函式， 一個是無參建構函式， 一個是傳入fair引數的建構函式。 fair引數代表的是鎖的公平策略， 如果傳入true就表示需要構造一個公平鎖， 反之則表示要構造一個非公平鎖。如下程式碼片段所示。

//無參建構函式： 預設非公平鎖
public ReentrantLock() {
	sync = new NonfairSync();
} 
//根據公平策略引數建立鎖
public ReentrantLock(boolean fair){
	sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

鎖的實現在本質上都對應著一個入口等待佇列， 如果一個執行緒沒有獲得鎖， 就會進入等待佇列， 當有執行緒釋放鎖的時候， 就需要從等待佇列中喚醒一個等待的執行緒。 如果是公平鎖， 喚醒的策略就是誰等待的時間長， 就喚醒誰， 很公平； 如果是非公平鎖， 則不提供這個公平保證， 有可能等待時間短的執行緒反而先被喚醒。 而Lock是支援公平鎖的，synchronized不支援公平鎖。

最後，值得注意的是，在使用Lock加鎖時，一定要在finally{}程式碼塊中釋放鎖，例如，下面的程式碼片段所示。

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

注：其他synchronized和Lock的詳細說明，小夥伴們自行查閱即可。

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寫在最後

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