Java——聊聊JUC中的锁（synchronized & Lock & ReentrantLock）

文章目录：

1.从乐观锁和悲观锁开始说起

2.synchronized的8锁案例

2.1 第一种情况：两个线程锁的是同一个实例对象

2.2 第二种情况：第一个线程的逻辑中添加sleep睡眠

2.3 第三种情况：第二个线程执行的是无锁方法

2.4 第四种情况：两个线程锁的是两个不同的实例对象

2.5 第五种情况：两个线程锁的是同一个类对象

2.6 第六种情况

2.7 第七种情况：一个线程锁实例对象，一个线程锁类对象

2.8 第八种情况

3.字节码角度分析synchronized

文件反编译技巧

3.1 synchronized同步代码块

3.2 synchronized同步实例方法

3.3 synchronized同步静态方法

3.4 synchronized锁的是什么？

4.公平锁和非公平锁

5.可重入锁

5.1 可重入锁之隐式锁synchronized

5.1.1 针对同步代码块

5.1.2 针对同步方法

5.2 可重入锁之显式锁Lock

6.死锁及排查

7.总结 

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1.从乐观锁和悲观锁开始说起

• 悲观锁：悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。

                     悲观锁的实现方式：① synchronized关键字；

                                                      ② Lock接口的实现类都是悲观锁。

                     适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。显示的锁定之后再操作同步资源。

public synchronized void method() {
    //加锁之后的业务逻辑
}

Lock lock = new ReentrantLock();

public void method2() {
    lock.lock();
    try {
        //加锁之后的业务逻辑
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

• 乐观锁：乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作

                     乐观锁的实现方式：① 版本号机制Version。（只要有人提交了就会修改版本号，可以解决ABA问题）

                                           ABA问题：再CAS中想读取一个值A，想把值  A变为C，不能保证读取时的A就是赋值时的A，中间可能有个线程将A变为B再变为A。

                                           解决方法：Juc包提供了一个AtomicStampedReference，原子更新带有版本号的引用类型，通过控制版本值的变化来解决ABA问题。
                                                      ② 最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

                      适合读操作多的场景，不加锁的性能特点能够使其操作的性能大幅提升。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
atomicInteger.incrementAndGet();

---

2.synchronized的8锁案例

首先，我们可以看一下阿里巴巴Java开发手册中，关于锁的强制性要求。

2.1 第一种情况：两个线程锁的是同一个实例对象

这里我能使用 Lambda 表达式的原因是，Phone类中的这两个实例方法是无参、无返回值的，和Runnable中的run方法一致，所以直接方法引用是OK的。

两个线程锁的都是我 new 的同一个对象 phone，所以当第一个线程去发邮件的时候就拿到了 phone 对象这把锁，此时第二个线程就拿不到了，只能等待第一个线程执行完释放锁，它才可以去发短信。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 *
 */
class Phone {
    public void sendEmail() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("-----发送邮件");
        }
    }

    public void sendSMS() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("-----发送短信");
        }
    }
}

public class Lock8 {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        new Thread(phone::sendEmail, "a").start();

        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(phone::sendSMS, "b").start();
    }
}

2.2 第二种情况：第一个线程的逻辑中添加sleep睡眠

和第一种情况不同的是：当第一个线程拿到 phone 对象锁之后，在发邮件的过程中，sleep睡眠了2秒。但是执行结果和第一种情况是一样的。

原因就是 sleep 方法并不会释放锁，只是让线程暂定一段时间，一段时间过后线程照常执行（不要interrupt打断。。。）。

某一个时刻内，只能有唯一的一个线程去访问这些针对于实例对象的synchronized方法，锁的是当前对象this，被锁定后，其它的线程都不能 进入到当前对象的其他synchronized方法。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 *
 */
class Phone {
    public void sendEmail() {
        synchronized (this) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("-----发送邮件");
        }
    }

    public void sendSMS() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("-----发送短信");
        }
    }
}

public class Lock8 {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        new Thread(phone::sendEmail, "a").start();

        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(phone::sendSMS, "b").start();
    }
}

2.3 第三种情况：第二个线程执行的是无锁方法

这种情况，虽然第一个线程拿到 phone 对象锁去发邮件了，中间睡了2秒不会释放锁对象。但是第二个线程的任务是 hello，这个方法并没有任何锁机制，它并不会和synchronized修饰的同步方法、代码块发生争抢，所以两个线程你干你的、我干我的。   由于线程a睡眠了，所以这里线程b就先执行完毕。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 *
 */
class Phone {
    public void sendEmail() {
        synchronized (this) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("-----发送邮件");
        }
    }

    public void sendSMS() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("-----发送短信");
        }
    }

    public void hello() {
        System.out.println("-----hello");
    }
}

public class Lock8 {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        new Thread(phone::sendEmail, "a").start();

        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(phone::hello, "b").start();
    }
}

2.4 第四种情况：两个线程锁的是两个不同的实例对象

两个线程锁的实例对象不同，线程a锁了phone，线程b锁了phone2，那么这里就算执行的是 synchronized 同步方法、代码块，也互不干扰，因为这是两把锁。

又因为线程a中间睡了2秒，所以线程b先执行完。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 *
 */
class Phone {
    public void sendEmail() {
        synchronized (this) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("-----发送邮件");
        }
    }

    public void sendSMS() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("-----发送短信");
        }
    }

    public void hello() {
        System.out.println("-----hello");
    }
}

public class Lock8 {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
        Phone phone2 = new Phone();

        new Thread(phone::sendEmail, "a").start();

        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(phone2::sendSMS, "b").start();
    }
}

2.5 第五种情况：两个线程锁的是同一个类对象

这里将上面的实例方法修改成了静态方法，一经修改，那么这两个方法就是类级别了，synchronized锁的是 Phone 这个类，那么无论开了多少个线程，当第一个线程获得类锁之后，其他的线程都无法再拿到这个类锁。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 *
 */
class Phone {
    public static void sendEmail() {
        synchronized (Phone.class) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("-----发送邮件");
        }
    }

    public static void sendSMS() {
        synchronized (Phone.class) {
            System.out.println("-----发送短信");
        }
    }

    public void hello() {
        System.out.println("-----hello");
    }
}

public class Lock8 {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
        Phone phone2 = new Phone();

        new Thread(Phone::sendEmail, "a").start();

        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(Phone::sendSMS, "b").start();
    }
}

2.6 第六种情况

和第五种情况的区别是：声明了两个Phone对象（phone、phone2），但是原理和第五种情况是一样的，因为这里是类锁。

2.7 第七种情况：一个线程锁实例对象，一个线程锁类对象

两个线程锁的对象不同，第一个线程锁的类对象，去发邮件，中间睡了2秒，执行稍慢；第二个线程锁的phone实例对象，去发短信；二者是互不干扰的，你干你的，我干我的。  由于线程a睡眠了，所以线程b先完成执行。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 *
 */
class Phone {
    public static void sendEmail() {
        synchronized (Phone.class) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("-----发送邮件");
        }
    }

    public void sendSMS() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("-----发送短信");
        }
    }

    public void hello() {
        System.out.println("-----hello");
    }
}

public class Lock8 {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
        Phone phone2 = new Phone();

        new Thread(Phone::sendEmail, "a").start();

        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(phone::sendSMS, "b").start();
    }
}

2.8 第八种情况

和第七种情况的区别是：Phone对象声明了2个，但是和第七种情况的原理仍然一样，一个锁了类对象、一个锁了实例对象，二者不产生竞争条件。

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3.字节码角度分析synchronized

先介绍两个东西：

文件反编译技巧

• 文件反编译javap -c ***.class文件反编译，-c表示对代码进行反汇编
• 假如需要更多信息 javap -v ***.class ，-v即-verbose输出附加信息（包括行号、本地变量表、反汇编等详细信息）

3.1 synchronized同步代码块

以下面这段代码为例，在IDEA中编译运行之后，会生成 .class 字节码文件，我们找到它所在的目录，cmd打开。

package com.juc.lock;

/**
 *
 */
public class LockSyncDemo {

    Object object = new Object();

    public void method1() {
        synchronized (object) {
            System.out.println("----- synchronized code block");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
}

synchronized同步代码块，实现使用的是 moniterenter 和 moniterexit 指令（moniterexit可能有两个，是因为程序要完完全全的确保你能够释放掉占有的锁对象，可能第一次 exit 没有释放掉，你的程序中有一些错误什么的，所以在后面还会有第二个 exit），底层实际上就是靠 这两个指令来确保锁的获取和释放。

那一定是一个enter两个exit吗？（不一样，如果主动throw一个RuntimeException，发现一个enter，一个exit，还有两个athrow）

3.2 synchronized同步实例方法

package com.juc.lock;

/**
 *
 */
public class LockSyncDemo {

    public synchronized void m2() {
        System.out.println("------hello synchronized m2");
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
}

使用  javap -v LockSyncDemo.class，更详细的查看字节码文件。

调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置。如果设置了，执行线程会将先持有monitor锁，然后再执行方法，最后在方法完成无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。

3.3 synchronized同步静态方法

package com.juc.lock;

/**
 *
 */
public class LockSyncDemo {

    public static synchronized void m2() {
        System.out.println("------hello synchronized m2");
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
}

所以它这里就是通过这两个东西去判断的，如果同时具备了 ACC_STATIC、ACC_SYNCHRONIZED，那就是类锁，只具备 ACC_SYNCHRONIZED，那就是对象锁。  

3.4 synchronized锁的是什么？

管程：Monitor（监视器），也就是我们平时说的锁。监视器锁

信号量及其操作原语“封装”在一个对象内部）管程实现了在一个时间点，最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。 管程提供了一种机制，管程可以看做一个软件模块，它是将共享的变量和对于这些共享变量的操作封装起来，形成一个具有一定接口的功能模块，进程可以调用管程来实现进程级别的并发控制。

执行线程就要求先成功持有管程，然后才能执行方法，最后当方法完成（无论是正常完成还是非正常完成）时释放管理。在方法执行期间，执行线程持有了管程，其他任何线程都无法再获取到同一个管程。

---

4.公平锁和非公平锁

非公平锁：默认是非公平锁。非公平锁可以插队，买卖票不均匀。

                  是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁，在高并发环境下，有可能造成优先级翻转或饥饿的状态（某个线程一直得不到锁）

公平锁：ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);     是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，这里类似排队买票，先来的人先买后来的人在队尾排着，                      这是公平的。

为什么会有公平锁/非公平锁的设计？为什么默认是非公平？

• 恢复挂起的线程到真正锁的获取还是有时间差的，从开发人员来看这个时间微乎其微，但是从CPU的角度来看，这个时间差存在的还是很明显的。所以非公平锁能更充分的利用CPU 的时间片，尽量减少 CPU 空闲状态时间。
• 使用多线程很重要的考量点是线程切换的开销，当采用非公平锁时，当1个线程请求锁获取同步状态，然后释放同步状态，因为不需要考虑是否还有前驱节点，所以刚释放锁的线程在此刻再次获取同步状态的概率就变得非常大，所以就减少了线程的开销。

什么时候用公平？什么时候用非公平？

•  如果为了更高的吞吐量，很显然非公平锁是比较合适的，因为节省很多线程切换时间，吞吐量自然就上去了；否则那就用公平锁，大家公平使用。

来看下面的代码案例。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 资源类，模拟3个售票员卖完50张票
 */
class Ticket {
    private int number = 50;

    Lock lock = new ReentrantLock(); //默认就是非公平锁

    public void sale() {
        lock.lock();
        try {
            if(number > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出第：\t" + (number--) + "\t 还剩下: " + number);
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class SaleTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i <55; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"a").start();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i <55; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"b").start();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i <55; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"c").start();
    }
}

下面的执行结果，没有截完整，最后全部都是线程b卖的票，这里就可以看到，严重的非公平锁了，压根就没有线程c的事。 

将上述代码修改为公平锁是很简单的，在 ReentrantLock 的构造方法中传入一个布尔值 true就可以了。

至于原因，我在后面会为大家讲解，就是AQS！！！

Lock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁

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5.可重入锁

可重入锁又名递归锁：是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁(前提，锁对象得是同一个对象)，不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。

如果是1个有 synchronized 修饰的递归调用方法，程序第2次进入被自己阻塞了岂不是天大的笑话，出现了作茧自缚。所以Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁，可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。

• 可：可以
• 重：再次
• 入：进入
• 锁：同步锁
• 进入什么：进入同步域（即同步代码块/方法或显示锁锁定的代码）
• 一句话：一个线程中的多个流程可以获取同一把锁，持有这把锁可以再次进入。自己可以获取自己的内部锁。

5.1 可重入锁之隐式锁synchronized

指的是可重复可递归调用的锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用，并且不发生死锁，这样的锁就叫做可重入锁。简单的来说就是:在一个synchronized修饰的方法或代码块的内部调用本类的其他synchronized修饰的方法或代码块时，是永远可以得到锁的。

5.1.1 针对同步代码块

package com.juc.lock;

/**
 *
 */
public class ReEntryLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        final Object obj = new Object();

        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 外层调用....");
                synchronized (obj) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 中层调用....");
                    synchronized (obj) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 内层调用....");
                    }
                }
            }
        }, "t1").start();
    }
}

5.1.2 针对同步方法

package com.juc.lock;

/**
 *
 */
public class ReEntryLockDemo {
    public synchronized void m1() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- come in");
        m2();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- end");
    }

    public synchronized void m2() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- come in");
        m3();
    }

    public synchronized void m3() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- come in");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReEntryLockDemo obj = new ReEntryLockDemo();
        new Thread(obj::m1, "t1").start();
    }
}

针对上面两个案例，为什么可以这样重入锁呢？

• 首次加锁：当执行monitorenter时，如果目标锁对象的计数器为零，那么说明它没有被其他线程所持有，Java虚拟机会将该锁对象的持有线程设置为当前线程，并且将其计数器加1。
• 重入：在目标锁对象的计数器不为零的情况下，如果锁对象的持有线程是当前线程，那么 Java 虚拟机可以将其计数器加1，否则需要等待，直至持有线程释放该锁。
• 释放锁：当执行monitorexit时，Java虚拟机则需将锁对象的计数器减1。计数器为零代表锁已被释放。

5.2 可重入锁之显式锁Lock

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 *
 */
public class ReEntryLockDemo {
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- 外层调用");
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- 内层调用");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1").start();
    }
}

上面的案例中，切记：你lock了几次，对应的就要 unlock 几次，否则线程的获取锁、释放锁次数是无法对应的，程序就炸了。 

---

6.死锁及排查

死锁：是指两个或两个以上的线程在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力干涉那它们都将无法推进下去，如果系统资源充足，进程的资源请求都能够得到满足，死锁出现的可能性就很低，否则就会因争夺有限的资源而陷入死锁。   a跟b两个资源互相请求对方的资源。

死锁产生的原因：系统资源不足；进程运行推进的顺序不合适；资源分配不当。

package com.juc.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 *
 */
public class DeadLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        final Object objectA = new Object();
        final Object objectB = new Object();

        new Thread(() -> {
            synchronized (objectA) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- 获取到了A锁，希望获取B锁");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (objectB) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- 获取到了B锁");;
                }
            }
        }, "A").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (objectB) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- 获取到了B锁，希望获取A锁");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (objectA) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- 获取到了A锁");
                }
            }
        }, "B").start();
    }
}

并不是说我们的程序出现了上图中的小红方块，没有结束就一定是死锁，我也可以写一个  while(true)  死循环卡在这里。

所以我们需要对是否是死锁进行排查。 

• jps -l 查看当前进程运行状况
• jstack 进程编号 查看该进程信息

或者我们可以  win + R，输入 jconsole。

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7.总结 

这篇文章是关于锁的，是入门级别的文章，后续还会有更深入、更底层的JUC，我会慢慢更新的。。。