Java线程同步机制

线程同步机制就是保障线程安全、协调线程直接数据访问的机制。
Java提供的线程同步机制包括：

• 锁
• volatile关键字
• final关键字
• static关键字
• 相关API（如Object.wait()等）
• ……

锁

锁保障线程安全的思路为：将多个线程对共享数据的并发访问转换为串行访问，即一个共享数据一次只能被一个线程访问。

我们平时听到用到的锁有很多种：公平锁/非公平锁、可重入锁/不可重入锁、共享锁/排他锁、乐观锁/悲观锁、分段锁、偏向锁/轻量级锁/重量级锁、自旋锁。其实这些都是在不同维度或者锁优化角度对锁的一种叫法。

JVM把锁分为隐式锁（内部锁）和显示锁两种。所谓的显示和隐式，就是指使用者使用时要不要手动写代码去获取锁和释放锁的操作。

• 隐式锁/内部锁：通过synchronized关键字实现。
• 显示锁：通过Lock接口的实现类实现。主要有ReentrantLock、StampedLock、ReadWriteLock、ReentrantReadWriteLock等。

在使用synchronized关键字时，我们不用写其他的代码程序就能够获取锁和释放锁，那是因为当synchronized代码块执行完成后，系统会自动让程序释放占用的锁，这是由系统维护的，如果非逻辑问题的话，是不会出现死锁的。

在使用Lock时，我们需要手动的获取和释放锁。如果没有释放锁，就有可能导致出现死锁。

synchronized（隐式锁）

synchronized可以修饰代码块或方法。

个人理解，锁住同一个变量的代码块或方法共享同一把锁，而同一时刻，共享了同一把锁的代码块或方法只能被一个线程访问。只要明白了这一点，所谓方法锁（其实也是对象锁）、对象锁、类锁就很容易理解了。

• 同步代码块

  //1.锁住非静态变量。锁住同一个变量的代码块共享同一把锁。非静态变量不被其他线程共享，所以多个实例调用同一方法也不会受这个锁的影响。
  private Object lock = new Object();
  public void method() {
      synchronized (lock) {
          //code...
      }
  }
  
  //2.锁住this对象。所有锁住this的代码块共享同一把锁。同样多个实例调用这些方法也不会受锁的影响。
  synchronized (this) {
      //code...
  }
  
  //3.锁住静态变量。由于静态变量在JVM方法区只有一份，而方法区被所有线程共享，因此锁住静态变量相当于类锁。
  private static Object lock = new Object();
  public void method() {
      synchronized (lock) {
          //code...
      }
  }
  
  //4.锁住xxx.class。即类锁，类锁是所有线程共享的。
  synchronized (XXX.class) {
      //code...
  }

• 同步方法

  //1.锁住非静态方法。相当于锁对象是this。
  public synchronized void method() {
      //code...
  }
  
  //2.锁住静态方法。相当于类锁。
  public static synchronized void method() {
      //code...
  }

Lock（显式锁）

synchronized关键字的锁是JVM层实现的。JDK5之后在java.util.concurrentjava.util.concurrent.locks包里有了显式锁，即Lock和ReadWriteLock两个接口。常见实现类有：

• ReentrantLock（Lock的实现类）
• ReentrantReadWriteLock（ReadWriteLock的实现类）

Lock接口有以下方法：

// 获取锁
void lock()

// 如果当前线程未被中断，则获取锁，可以响应中断
void lockInterruptibly()

// 返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例
Condition newCondition()

// 仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁，可以响应中断
boolean tryLock()

// 如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)

// 释放锁
void unlock()

ReadWriteLock接口有两个方法：

// 返回用于读取操作的锁  
Lock readLock()

// 返回用于写入操作的锁  
Lock writeLock() 

ReentrantLock

lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit) 和 lockInterruptibly()都是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition() 返回 绑定到此 Lock 的新的 Condition 实例 ，用于线程间的协作。

其中，这四种获取锁的方法有什么区别？参考《Java锁Lock接口详解》一文。lock()和unlock()的使用方法如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();// 获取锁
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){

}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

ReentrantReadWriteLock

ReadWriteLock维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。只要没有writer，读取锁可以由多个reader线程同时保持，而写入锁是独占的。

private Object data = null;  //共享数据，只能有一个线程能写该数据，但可以有多个线程同时读该数据。
ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

// 读数据
public void get() {
    lock.readLock().lock();  // 加读锁
    try {
        //处理任务
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        lock.readLock().unlock();  // 释放读锁
    }
}

// 写数据
public void put(Object data) {
    lock.writeLock().lock();  // 加写锁
    try {
        //处理任务
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        lock.writeLock().unlock();  // 释放写锁
    }
}

锁的类型

锁/类型	公平/非公平锁	可重入/不可重入锁	共享/独享锁	乐观/悲观锁
synchronized	非公平锁	可重入锁	独享锁	悲观锁
ReentrantLock	都支持	可重入锁	独享锁	悲观锁
ReentrantReadWriteLock	都支持	可重入锁	读锁-共享，写锁-独享	悲观锁

公平锁和非公平锁、可重入锁和不可重入锁、共享锁和独享锁、乐观锁和悲观锁有什么区别？可参考《Java锁Lock的种类》一文。

volatile

volatile关键字是线程同步的轻量级实现，性能比synchronized要好。volatile只能修饰变量，可以解决变量在多个线程的可见性。

使用方法如下：

private static volatile int count;

其他线程同步机制

除了锁机制和volatile关键字，Java中还有一些实现线程同步的方法。

• final关键字

  其原理是通过禁止CPU的指令集重排序来提供线程的可见性，从而保证线程同步。

  当一个对象发布到其他线程的时候，该对象的所有final字段都初始化完成，即其他线程读取到的都是相应字段的初始值而非默认值。

• static关键字

  即使在未使用其他线程同步机制的情况下，static关键字保证一个线程可以读到一个类静态变量的初始值，但这种可见性仅限于初次读取该变量。

参考

多线程和高并发（二）volatile关键字

Java锁Lock的种类

java里的锁总结（这篇讲得过于深入）

Java并发之显式锁和隐式锁的区别

对象锁和类锁的区别

java 锁 Lock接口详解