【高并发】面试官：Java 中提供了 synchronized，为什么还要提供 Lock 呢?

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发布于: 2020 年 09 月 16 日
【高并发】面试官：Java中提供了synchronized，为什么还要提供Lock呢?
写在前面﻿
在Java中提供了synchronized关键字来保证只有一个线程能够访问同步代码块。既然已经提供了synchronized关键字，那为何在Java的SDK包中，还会提供Lock接口呢？这是不是重复造轮子，多此一举呢？今天，我们就一起来探讨下这个问题。
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再造轮子？﻿
既然JVM中提供了synchronized关键字来保证只有一个线程能够访问同步代码块，为何还要提供Lock接口呢？这是在重复造轮子吗？Java的设计者们为何要这样做呢？让我们一起带着疑问往下看。
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为何提供Lock接口？﻿
很多小伙伴可能会听说过，在Java 1.5版本中，synchronized的性能不如Lock，但在Java 1.6版本之后，synchronized做了很多优化，性能提升了不少。那既然synchronized关键字的性能已经提升了，那为何还要使用Lock呢？
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如果我们向更深层次思考的话，就不难想到了：我们使用synchronized加锁是无法主动释放锁的，这就会涉及到死锁的问题。
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死锁问题﻿
如果要发生死锁，则必须存在以下四个必要条件，四者缺一不可。
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互斥条件
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在一段时间内某资源仅为一个线程所占有。此时若有其他线程请求该资源，则请求线程只能等待。
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不可剥夺条件
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线程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他线程强行夺走，即只能由获得该资源的线程自己来释放（只能是主动释放)。
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请求与保持条件
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线程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他线程占有，此时请求线程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
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循环等待条件
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在发生死锁时必然存在一个进程等待队列{P1,P2,…,Pn},其中P1等待P2占有的资源，P2等待P3占有的资源，…，Pn等待P1占有的资源，形成一个进程等待环路，环路中每一个进程所占有的资源同时被另一个申请，也就是前一个进程占有后一个进程所深情地资源。
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synchronized的局限性﻿
如果我们的程序使用synchronized关键字发生了死锁时，synchronized关键是是无法破坏“不可剥夺”这个死锁的条件的。这是因为synchronized申请资源的时候， 如果申请不到， 线程直接进入阻塞状态了， 而线程进入阻塞状态， 啥都干不了， 也释放不了线程已经占有的资源。  
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然而，在大部分场景下，我们都是希望“不可剥夺”这个条件能够被破坏。也就是说对于“不可剥夺”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时， 如果申请不到， 可以主动释放它占有的资源， 这样不可剥夺这个条件就破坏掉了。  
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如果我们自己重新设计锁来解决synchronized的问题，我们该如何设计呢？
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解决问题﻿
了解了synchronized的局限性之后，如果是让我们自己实现一把同步锁，我们该如何设计呢？也就是说，我们在设计锁的时候，要如何解决synchronized的局限性问题呢？这里，我觉得可以从三个方面来思考这个问题。
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（1）能够响应中断。 synchronized的问题是， 持有锁A后， 如果尝试获取锁B失败， 那么线程就进入阻塞状态， 一旦发生死锁， 就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。 但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号， 也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候， 能够唤醒它， 那它就有机会释放曾经持有的锁A。 这样就破坏了不可剥夺条件了。
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（2）支持超时。 如果线程在一段时间之内没有获取到锁， 不是进入阻塞状态， 而是返回一个错误， 那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。 这样也能破坏不可剥夺条件。
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（3）非阻塞地获取锁。 如果尝试获取锁失败， 并不进入阻塞状态， 而是直接返回， 那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。 这样也能破坏不可剥夺条件。
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体现在Lock接口上，就是Lock接口提供的三个方法，如下所示。
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// 支持中断的API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 支持超时的API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的API
boolean tryLock();
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lockInterruptibly()
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支持中断。
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tryLock()方法
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tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。
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tryLock(long time, TimeUnit  unit)方法
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tryLock(long time, TimeUnit  unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。
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也就是说，对于死锁问题，Lock能够破坏不可剥夺的条件，例如，我们下面的程序代码就破坏了死锁的不可剥夺的条件。
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public class TansferAccount{
    private Lock thisLock = new ReentrantLock();
    private Lock targetLock = new ReentrantLock();
    //账户的余额
    private Integer balance;
    //转账操作
    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();
            }
        }
    }
}
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例外，Lock下面有一个ReentrantLock，而ReentrantLock支持公平锁和非公平锁。
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在使用ReentrantLock的时候， ReentrantLock中有两个构造函数， 一个是无参构造函数， 一个是传入fair参数的构造函数。 fair参数代表的是锁的公平策略， 如果传入true就表示需要构造一个公平锁， 反之则表示要构造一个非公平锁。如下代码片段所示。
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//无参构造函数： 默认非公平锁
public ReentrantLock() {
	sync = new NonfairSync();
} 
//根据公平策略参数创建锁
public ReentrantLock(boolean fair){
	sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
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锁的实现在本质上都对应着一个入口等待队列， 如果一个线程没有获得锁， 就会进入等待队列， 当有线程释放锁的时候， 就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。 如果是公平锁， 唤醒的策略就是谁等待的时间长， 就唤醒谁， 很公平； 如果是非公平锁， 则不提供这个公平保证， 有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。  而Lock是支持公平锁的，synchronized不支持公平锁。
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最后，值得注意的是，在使用Lock加锁时，一定要在finally{}代码块中释放锁，例如，下面的代码片段所示。
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try{
    lock.lock();
}finally{
    lock.unlock();
}
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注：其他synchronized和Lock的详细说明，小伙伴们自行查阅即可。
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写在最后﻿
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