Java面试全解析(23)线程安全之 synchronized 和 ReentrantLock

线程安全

1)非线程安全事例

比如 A 和 B 同时给 C 转账的问题,假设 C 原本余额有 100 元,A 给 C 转账 100 元,正在转的途中,此时 B 也给 C 转了 100 元,这个时候 A 先给 C 转账成功,余额变成了 200 元,但 B 事先查询 C 的余额是 100 元,转账成功之后也是 200 元。当 A 和 B 都给 C 转账完成之后,余额还是 200 元,而非预期的 300 元,这就是典型的线程安全的问题。

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2)非线程安全代码示例

上面的内容没看明白没关系,下面来看非线程安全的具体代码:

class ThreadSafeTest {
    static int number = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> addNumber());
        Thread thread2 = new Thread(() -> addNumber());
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println("number:" + number);
    }
    public static void addNumber() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            ++number;
        }
    }
}

以上程序执行结果如下:

number:12085

每次执行的结果可能略有差异,不过几乎不会等于(正确的)累计之和 20000。

3)线程安全的解决方案

线程安全的解决方案有以下几个维度:

  • 数据不共享,单线程可见,比如 ThreadLocal 就是单线程可见的;
  • 使用线程安全类,比如 StringBuffer 和 JUC(java.util.concurrent)下的安全类(后面文章会专门介绍);
  • 使用同步代码或者锁。

线程同步和锁

1)synchronized

① synchronized 介绍

synchronized 是 Java 提供的同步机制,当一个线程正在操作同步代码块(synchronized 修饰的代码)时,其他线程只能阻塞等待原有线程执行完再执行。

② synchronized 使用

synchronized 可以修饰代码块或者方法,示例代码如下:

// 修饰代码块
synchronized (this) {
    // do something
}
// 修饰方法
synchronized void method() {
    // do something
}

使用 synchronized 完善本文开头的非线程安全的代码。

方法一:使用 synchronized 修饰代码块,代码如下:

class ThreadSafeTest {
    static int number = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread sThread = new Thread(() -> {
            // 同步代码
            synchronized (ThreadSafeTest.class) {
                addNumber();
            }
        });
        Thread sThread2 = new Thread(() -> {
            // 同步代码
            synchronized (ThreadSafeTest.class) {
                addNumber();
            }
        });
        sThread.start();
        sThread2.start();
        sThread.join();
        sThread2.join();
        System.out.println("number:" + number);
    }
    public static void addNumber() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            ++number;
        }
    }
}

以上程序执行结果如下:

number:20000

方法二:使用 synchronized 修饰方法,代码如下:

class ThreadSafeTest {
    static int number = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread sThread = new Thread(() -> addNumber());
        Thread sThread2 = new Thread(() -> addNumber());
        sThread.start();
        sThread2.start();
        sThread.join();
        sThread2.join();
        System.out.println("number:" + number);
    }
    public synchronized static void addNumber() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            ++number;
        }
    }
}

以上程序执行结果如下:

number:20000

③ synchronized 实现原理

synchronized 本质是通过进入和退出的 Monitor 对象来实现线程安全的。
以下面代码为例:

public class SynchronizedTest {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            System.out.println("Java");
        }
    }
}

当我们使用 javap 编译之后,生成的字节码如下:

Compiled from "SynchronizedTest.java"
public class com.interview.other.SynchronizedTest {
  public com.interview.other.SynchronizedTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return
  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // class com/interview/other/SynchronizedTest
       2: dup
       3: astore_1
       4: monitorenter
       5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       8: ldc           #4                  // String Java
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      13: aload_1
      14: monitorexit
      15: goto          23
      18: astore_2
      19: aload_1
      20: monitorexit
      21: aload_2
      22: athrow
      23: return
    Exception table:
       from    to  target type
           5    15    18   any
          18    21    18   any
}

可以看出 JVM(Java 虚拟机)是采用 monitorenter 和 monitorexit 两个指令来实现同步的,monitorenter 指令相当于加锁,monitorexit 相当于释放锁。而 monitorenter 和 monitorexit 就是基于 Monitor 实现的。

2)ReentrantLock

① ReentrantLock 介绍

ReentrantLock(再入锁)是 Java 5 提供的锁实现,它的功能和 synchronized 基本相同。再入锁通过调用 lock() 方法来获取锁,通过调用 unlock() 来释放锁。

② ReentrantLock 使用

ReentrantLock 基础使用,代码如下:

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();    // 加锁
// 业务代码...
lock.unlock();    // 解锁

使用 ReentrantLock 完善本文开头的非线程安全代码,请参考以下代码:

public class LockTest {
    static int number = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // ReentrantLock 使用
        Lock lock = new ReentrantLock();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock();
                addNumber();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock();
                addNumber();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println("number:" + number);
    }
    public static void addNumber() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            ++number;
        }
    }
}

尝试获取锁

ReentrantLock 可以无阻塞尝试访问锁,使用 tryLock() 方法,具体使用如下:

Lock reentrantLock = new ReentrantLock();
// 线程一
new Thread(() -> {
    try {
        reentrantLock.lock();
        Thread.sleep(2 * 1000);

    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        reentrantLock.unlock();
    }
}).start();
// 线程二
new Thread(() -> {
    try {
        Thread.sleep(1 * 1000);
        System.out.println(reentrantLock.tryLock());
        Thread.sleep(2 * 1000);
        System.out.println(reentrantLock.tryLock());
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

以上代码执行结果如下:

false

true

尝试一段时间内获取锁

tryLock() 有一个扩展方法 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 用于尝试一段时间内获取锁,具体实现代码如下:

Lock reentrantLock = new ReentrantLock();
// 线程一
new Thread(() -> {
    try {
        reentrantLock.lock();
        System.out.println(LocalDateTime.now());
        Thread.sleep(2 * 1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        reentrantLock.unlock();
    }
}).start();
// 线程二
new Thread(() -> {
    try {
        Thread.sleep(1 * 1000);
        System.out.println(reentrantLock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS));
        System.out.println(LocalDateTime.now());
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

以上代码执行结果如下:

2019-07-05 19:53:51

true

2019-07-05 19:53:53

可以看出锁在休眠了 2 秒之后,就被线程二直接获取到了,所以说 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 方法内的 timeout 参数指的是获取锁的最大等待时间。

③ ReentrantLock 注意事项

使用 ReentrantLock 一定要记得释放锁,否则该锁会被永久占用。

相关面试题

1.ReentrantLock 常用的方法有哪些?

答:ReentrantLock 常见方法如下:

  • lock():用于获取锁
  • unlock():用于释放锁
  • tryLock():尝试获取锁
  • getHoldCount():查询当前线程执行 lock() 方法的次数
  • getQueueLength():返回正在排队等待获取此锁的线程数
  • isFair():该锁是否为公平锁

2.ReentrantLock 有哪些优势?

答:ReentrantLock 具备非阻塞方式获取锁的特性,使用 tryLock() 方法。ReentrantLock 可以中断获得的锁,使用 lockInterruptibly() 方法当获取锁之后,如果所在的线程被中断,则会抛出异常并释放当前获得的锁。ReentrantLock 可以在指定时间范围内获取锁,使用 tryLock(long timeout,TimeUnit unit) 方法。

3.ReentrantLock 怎么创建公平锁?

答:new ReentrantLock() 默认创建的为非公平锁,如果要创建公平锁可以使用 new ReentrantLock(true)。

4.公平锁和非公平锁有哪些区别?

答:公平锁指的是线程获取锁的顺序是按照加锁顺序来的,而非公平锁指的是抢锁机制,先 lock() 的线程不一定先获得锁。

5.ReentrantLock 中 lock() 和 lockInterruptibly() 有什么区别?

答:lock() 和 lockInterruptibly() 的区别在于获取线程的途中如果所在的线程中断,lock() 会忽略异常继续等待获取线程,而 lockInterruptibly() 则会抛出 InterruptedException 异常。
题目解析:执行以下代码,在线程中分别使用 lock() 和 lockInterruptibly() 查看运行结果,代码如下:

 Lock interruptLock = new ReentrantLock();
interruptLock.lock();
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        try {
            interruptLock.lock();
            //interruptLock.lockInterruptibly();  // java.lang.InterruptedException
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
thread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
thread.interrupt();
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
System.out.println("Over");
System.exit(0);

执行以下代码会发现使用 lock() 时程序不会报错,运行完成直接退出;而使用 lockInterruptibly() 则会抛出异常 java.lang.InterruptedException,这就说明:在获取线程的途中如果所在的线程中断,lock() 会忽略异常继续等待获取线程,而 lockInterruptibly() 则会抛出 InterruptedException 异常。

6.synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别?

答:synchronized 和 ReentrantLock 都是保证线程安全的,它们的区别如下:

  • ReentrantLock 使用起来比较灵活,但是必须有释放锁的配合动作;
  • ReentrantLock 必须手动获取与释放锁,而 synchronized 不需要手动释放和开启锁;
  • ReentrantLock 只适用于代码块锁,而 synchronized 可用于修饰方法、代码块等;
  • ReentrantLock 性能略高于 synchronized。

7.ReentrantLock 的 tryLock(3, TimeUnit.SECONDS) 表示等待 3 秒后再去获取锁,这种说法对吗?为什么?

答:不对,tryLock(3, TimeUnit.SECONDS) 表示获取锁的最大等待时间为 3 秒,期间会一直尝试获取,而不是等待 3 秒之后再去获取锁。

8.synchronized 是如何实现锁升级的?

答:在锁对象的对象头里面有一个 threadid 字段,在第一次访问的时候 threadid 为空,JVM(Java 虚拟机)让其持有偏向锁,并将 threadid 设置为其线程 id,再次进入的时候会先判断 threadid 是否尤其线程 id 一致,如果一致则可以直接使用,如果不一致,则升级偏向锁为轻量级锁,通过自旋循环一定次数来获取锁,不会阻塞,执行一定次数之后就会升级为重量级锁,进入阻塞,整个过程就是锁升级的过程。

总结

本文介绍了线程同步的两种方式 synchronized 和 ReentrantLock,其中 ReentrantLock 使用更加灵活,效率也率高,不过 ReentrantLock 只能修饰代码块,使用 ReentrantLock 需要开发者手动释放锁,如果忘记释放则该锁会一直被占用。synchronized 使用场景更广,可以修饰普通方法、静态方法和代码块等。