Lock和synchronized的性能的比较

本文对比了Lock接口和synchronized关键字在多线程环境下的性能表现,通过实验验证了Lock在多数情况下的优越性,并深入分析了ReentrantLock的工作原理。
尽管synchronized在语法上已经足够简单了,在JDK 5之前只能借助此实现,但是由于是独占锁,
性能却不高,因此JDK 5以后就开始借助于JNI来完成更高级的锁实现。JDK 5中的锁是接口java.util.concurrent.locks.Lock。另外java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock提供了一对可供读写并发的锁今天我们来比较一下,Lock和synchronized的性能;
//Lock 实现的AtomicInteger
package juc.automic;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* Lock 实现的AtomicInteger
* @author donald
* 2017年2月28日
* 下午7:52:34
*/
public class AtomicIntegerWithLock {
private int value;
private Lock lock = new ReentrantLock();

public AtomicIntegerWithLock() {
super();
}

public AtomicIntegerWithLock(int value) {
this.value = value;
}

public final int get() {
lock.lock();
try {
return value;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public final void set(int newValue) {
lock.lock();
try {
value = newValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public final int getAndSet(int newValue) {
lock.lock();
try {
int ret = value;
value = newValue;
return ret;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
lock.lock();
try {
if (value == expect) {
value = update;
return true;
}
return false;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public final int getAndIncrement() {
lock.lock();
try {
return value++;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public final int getAndDecrement() {
lock.lock();
try {
return value--;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public final int incrementAndGet() {
lock.lock();
try {
return ++value;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public final int decrementAndGet() {
lock.lock();
try {
return --value;
} finally {
lock.unlock();
}
}

public String toString() {
return Integer.toString(get());
}

}

//测试主类
package juc.automic;


/**
* Lock和synchronized的性能比较测试
* @author donald
* 2017年2月28日
* 下午7:53:04
*/
public class LockCompareSynchronize {
static int staticValue = 0;

public static void main(String[] args) throws Exception {
final int max = 10;
final int loopCount = 100000;
long costTime = 0;
for (int m = 0; m < max; m++) {
long start0 = System.nanoTime();
final AtomicIntegerWithLock value1 = new AtomicIntegerWithLock(0);
Thread[] ts = new Thread[max];
for (int i = 0; i < max; i++) {
ts[i] = new Thread() {
public void run() {
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
value1.incrementAndGet();
}
}
};
}
for (Thread t : ts) {
t.start();
}
for (Thread t : ts) {
t.join();
}
long end0 = System.nanoTime();
costTime += (end0 - start0);
}
System.out.println("Lock所耗时间: " + (costTime));
System.out.println();
costTime = 0;

final Object lock = new Object();
for (int m = 0; m < max; m++) {
staticValue = 0;
long start1 = System.nanoTime();
Thread[] ts = new Thread[max];
for (int i = 0; i < max; i++) {
ts[i] = new Thread() {
public void run() {
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
synchronized (lock) {
++staticValue;
}
}
}
};
}
for (Thread t : ts) {
t.start();
}
for (Thread t : ts) {
t.join();
}
long end1 = System.nanoTime();
costTime += (end1 - start1);
}
System.out.println("synchronized所耗时间: " + (costTime));
}

}


控制台输出:

Lock所耗时间: 343165627
synchronized所耗时间: 436721381

尽管上面的例子不是非常正式的测试案例,但上面的例子在于说明,Lock的性能比synchronized的要好得多。如果可以的话总是使用Lock替代synchronized是一个明智的选择。

再来看一下ReentrantLock
// ReentrantLock
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
//锁机制
/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}
}

//创建锁
  public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}

//非公平锁,ReentrantLock的内部类NonfairSync
/**
* Sync object for non-fair locks
*/
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
//获取锁
if (compareAndSetState(0, 1))
//设置锁持有者线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//获取失败,添加等待队列
acquire(1);
}
//尝试获取锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}

来看lock中的方法compareAndSetState
//AbstractQueuedSynchronizer
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
//通过unsafe实现
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
}


//创建公平锁:
 /**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
* given fairness policy.
*
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

//公平锁
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

final void lock() {
acquire(1);
}

/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}



//AbstractOwnableSynchronizer
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {

/** Use serial ID even though all fields transient. */
private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L;

/**
* Empty constructor for use by subclasses.
*/
protected AbstractOwnableSynchronizer() { }

/**
* The current owner of exclusive mode synchronization.
*/
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

/**
* Sets the thread that currently owns exclusive access. A
* <tt>null</tt> argument indicates that no thread owns access.
* This method does not otherwise impose any synchronization or
* <tt>volatile</tt> field accesses.
*/
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t) {
exclusiveOwnerThread = t;
}

/**
* Returns the thread last set by
* <tt>setExclusiveOwnerThread</tt>, or <tt>null</tt> if never
* set. This method does not otherwise impose any synchronization
* or <tt>volatile</tt> field accesses.
* @return the owner thread
*/
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
}

[color=green]在公平的锁上,线程按照他们发出请求的顺序获取锁,但在非公平锁上,则允许‘插队’:
当一个线程请求非公平锁时,如果在发出请求的同时该锁变成可用状态,那么这个线程会跳过队列中所有的等待线程而获得锁。
非公平的ReentrantLock 并不提倡 插队行为,但是无法防止某个线程在合适的时候进行插队。
在公平的锁中,如果有另一个线程持有锁或者有其他线程在等待队列中等待这个所,
那么新发出的请求的线程将被放入到队列中。而非公平锁上,只有当锁被某个线程持有时,新发出请求的线程才会被放入队列中。

非公平锁性能高于公平锁性能的原因:
在恢复一个被挂起的线程与该线程真正运行之间存在着严重的延迟。
假设线程A持有一个锁,并且线程B请求这个锁。由于锁被A持有,因此B将被挂起。当A释放锁时,B将被唤醒,因此B会再次尝试获取这个锁。与此同时,如果线程C也请求这个锁,那么C很可能会在B被完全唤醒之前获得、使用以及释放这个锁。这样就是一种双赢的局面:B获得锁的时刻并没有推迟,C更早的获得了锁,并且吞吐量也提高了。当持有锁的时间相对较长或者请求锁的平均时间间隔较长,应该使用公平锁。在这些情况下,插队带来的吞吐量提升(当锁处于可用状态时,线程却还处于被唤醒的过程中)可能不会出现。[/color]
<think>嗯,我现在要理解一下Javalocksynchronized的区别。记得以前学过一点,可能有些地方不太清楚,得仔细想想。 首先,synchronizedJava的关键字,而Lock是一个接口,比如ReentrantLock是它的实现类。那它们在使用上有什么不同呢?synchronized可以用在方法或者代码块上,自动获取释放锁。而Lock需要手动调用lock()unlock()方法,对吧?这可能涉及到忘记释放锁的问题,所以通常要在finally块里释放。 然后是特性方面。synchronized是内置的,依赖于JVM实现,而Lock是API层面的,通过代码控制。可中断性方面,synchronized一旦等待锁就无法中断,而Lock可以用lockInterruptibly()方法在等待时响应中断。还有公平锁,synchronized默认是非公平的,而Lock可以设置是否为公平锁,比如ReentrantLock的构造方法可以传入公平参数。 锁的绑定条件变量,synchronized通过wait()/notify()来操作,而Lock可以用Condition类来创建多个条件变量,这样可能更灵活。比如一个锁可以有多个条件,不同的条件控制不同的线程等待唤醒。 性能方面,早期版本中synchronized性能较差,但后来Java优化了,比如引入偏向锁、轻量级锁,现在两者性能可能差不多了。不过高并发时,Lock可能还是更有优势? 另外,synchronized不需要手动释放,发生异常会自动释放锁,而Lock必须手动释放,否则可能导致死锁。所以使用Lock的时候要特别小心,确保在finally里unlock。 还有锁的获取方式,synchronized是互斥的,一旦被某个线程持有,其他线程只能阻塞。Lock提供了tryLock()方法,可以尝试获取锁,获取不到可以返回,或者设置超时时间,这样能避免长时间阻塞。 比如在代码结构上,synchronized可能更简洁,而Lock需要更多的代码,但提供了更多的控制选项。比如: synchronized(obj) { // 代码块 } Lock lock = new ReentrantLock(); lock.lock(); try { // 代码块 } finally { lock.unlock(); } 总结的话,两者的主要区别应该包括:使用方式(自动vs手动)、功能特性(可中断、公平锁、条件变量)、性能差异(历史变化)、异常处理以及锁的获取方式等。需要根据具体场景来选择,如果只是简单的同步,synchronized可能更方便;如果需要更高级的功能,比如可中断、超时、公平锁等,就用Lock。</think>### Lock `synchronized` 的区别 #### 1. **实现方式** - **`synchronized`**:是 Java 关键字,由 JVM 底层实现,自动管理锁的获取释放。 - **`Lock`**:是 `java.util.concurrent.locks` 包中的接口(如 `ReentrantLock`),需手动调用 `lock()` `unlock()` 方法。 #### 2. **锁的获取与释放** - **`synchronized`**: 线程进入同步代码块时自动获取锁,退出时自动释放(包括异常或返回)。 示例: ```java synchronized (obj) { // 临界区代码 } ``` - **`Lock`**: 需显式调用 `lock()` 获取锁,且必须在 `finally` 中调用 `unlock()` 防止死锁。 示例: ```java Lock lock = new ReentrantLock(); lock.lock(); try { // 临界区代码 } finally { lock.unlock(); } ``` #### 3. **功能特性** - **可中断性**: - `synchronized`:线程等待锁时无法中断。 - `Lock`:支持 `lockInterruptibly()`,允许等待过程中响应中断。 - **公平性**: - `synchronized`:默认非公平锁。 - `Lock`:可通过构造参数选择公平锁(如 `new ReentrantLock(true)`)。 - **尝试获取锁**: - `Lock` 支持 `tryLock()` 超时获取(`tryLock(long timeout, TimeUnit unit)`),避免无限等待。 - `synchronized` 无此功能。 - **条件变量**: - `synchronized`:通过 `wait()`、`notify()` 操作单一条件。 - `Lock`:可创建多个 `Condition` 对象,实现更精细的线程唤醒(如生产者-消费者模型)。 #### 4. **性能差异** - **早期版本**:`synchronized` 性能较差(依赖 JVM 重量级锁)。 - **JDK 6+**:引入偏向锁、轻量级锁优化后,性能接近 `Lock`。 - **高并发场景**:`Lock` 的细粒度控制可能更高效。 #### 5. **异常处理** - **`synchronized`**:自动释放锁,避免死锁。 - **`Lock`**:需手动释放,若未在 `finally` 中调用 `unlock()`,可能导致死锁。 --- ### 总结表格 | **特性** | **`synchronized`** | **`Lock`** | |--------------------|--------------------------------------------|--------------------------------------------| | **实现方式** | JVM 内置,自动管理 | API 实现,需手动控制 | | **锁释放** | 自动释放 | 需手动调用 `unlock()` | | **可中断** | ❌ 不支持 | ✅ 支持 `lockInterruptibly()` | | **公平锁** | ❌ 默认非公平 | ✅ 可配置(如 `ReentrantLock(true)`) | | **尝试获取锁** | ❌ 不支持 | ✅ `tryLock()` 超时机制 | | **条件变量** | 单一条件 | 多 `Condition` 对象 | | **代码简洁性** | ✅ 更简洁 | ❌ 需显式管理 | | **适用场景** | 简单同步逻辑 | 复杂同步需求(如超时、公平性、可中断) | --- ### 如何选择? - **优先 `synchronized`**:简单同步场景(如单条件、无需中断)。 - **选择 `Lock`**:需要可中断、超时、公平锁或多条件时(如高并发任务调度)。
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