《Java并发编程实战》---性能与可伸缩性---显式锁_解释为什么瞬时的同步通信天生具有可伸缩性问题,以及如何解决-优快云博客

本文介绍了Java 5.0引入的ReentrantLock机制，探讨了其与synchronized关键字的区别及应用场景，包括可中断锁获取、定时与轮询锁机制等高级功能，并对比了两者的性能差异。

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Java 5.0之前，在协调线程对共享数据的访问时可以使用的机制只有synchronized和volatile两种，java 5.0增加了一种新的机制：ReentrantLock；但是ReentrantLock并不是代替内置锁，而是作为一种可选择的高级功能；

1：Lock与ReentrantLock

Lock接口定义了一组抽象的加锁操作，与内置加锁机制不同，Lock提供了一种无条件的、可轮询的、定时的以及可中断的锁获取操作，所有加锁和解锁方法都是显示的。

Lock的实现中必须提供与内置加锁相同的内存可见性语义，但是在加锁语义、顺序保证以及性能特性方面有所不同；

Method Summary
`void`	`lock()` Acquires the lock.
`void`	`lockInterruptibly()` Acquires the lock unless the current thread is interrupted.
`Condition`	`newCondition()` Returns a new `Condition` instance that is bound to this `Lock` instance.
`boolean`	`tryLock()` Acquires the lock only if it is free at the time of invocation.
`boolean`	`tryLock(long time, TimeUnit unit)` Acquires the lock if it is free within the given waiting time and the current thread has not been interrupted.
`void`	`unlock()` Releases the lock.

ReentrantLock实现了Lock接口，并且提供与synchronized相同的互斥性和内存可见性，与synchronized提供了可重入的加锁语义；

ReentrantLock还提供了Lock接口定义的获取锁的模式，与synchronized相比，为处理锁不可用性问题提供了更高的灵活性；

为什么要创建一种与内置锁如此相似的新的加锁机制？在大多数情况下，内置锁都能很好的工作，但是在功能上存在一些局限性，例如，无法中断一个正在等待获取锁的线程、或者无法在请求获取一个锁时无限的等待下去。内置锁必须在获取该锁的代码块中释放，这就简化了编码工作，并且与异常处理操作实现了很好的交互，但却无法实现非阻塞结构的加锁规则；

1.1 轮询锁与定时锁

可定时的与可轮询的锁获取模式是由tryLock方法实现的，与无条件的锁获取方式相比，它具有跟完善的错误恢复机制。在内置锁中，死锁是一个严重的问题，恢复程序的唯一方法是重启程序，防止死锁的唯一方法是在构造程序时避免出现不一致的锁顺序。可定时与可轮询的锁提供了另外一种选择：避免死锁发生；

如果不能获得所需要的锁，那么可以使用可定时的活可轮询的锁获取方式，从而重新获得控制权，它会释放已经获得的锁，然后重试获取所有的锁。

1.2可中断的锁获取操作

内置锁不能响应中断，lockInterruptibly方法能够在获取锁的同时保持对中断的响应；

2：性能因素考虑

当把ReentrantLock加入到java 5.0时，他能比内置锁提供更好的竞争性能。对于同步原语来说，竞争性能是可伸缩性的关键因素：如果越多的资源消耗在锁的管理和调度上，那么应用程序得到的资源就越少。锁的实现方式越好，那么系统调用和上下文切换越少，并且在共享内存上内存同步通信量越少。

java6使用了改进后的算法来管理内置锁，与ReentrantLock中使用算法类似，有效的提高了性能。两者性能差距不是很大。

3：公平性

在ReentrantLock的构造函数中提供了两种公平性选择：创建一个非公平的锁（默认）或者一个公平的锁。公平锁，线程将按照请求顺序获得锁；非公平锁允许插队：当一个线程请求非公平锁时，如果发出请求的同时该锁的状态变为可用，那么这个线程将跳过队列中所有等待线程获得这个锁；

为什么不希望所有的锁都是公平的？当执行加锁操作时，公平性将由于挂起线程和恢复线程时存在的开销而极大的降低性能。

内置锁与ReentrantLock一样，默认不提供确定的公平性保证；

4：在synchronized和ReentrantLock之间进行选择

ReentrantLock与synchronized在加锁和内存上提供的语义与内置锁相同，此外还提供了一些其他功能，包括定时的锁等待、可中断的所等待、公平性。

ReentrantLock的性能在Java6.0中略有胜出，Java5.0中远远胜出；

内置锁其实也有优势：

现有许多程序都使用了内置锁；不需要显示的释放锁降低风险；此外，在线程转储中能给出在哪些调用帧中获得了哪些锁，并且能够检测和识别发生死锁的线程.

JVM并不知道哪些线程持有ReentrantLock，因此在调试使用ReentrantLock的线程问题时，将起不到帮助作用；

未来可能提升的时内置锁的性能，而不是ReentrantLock。synchronzed是JVM的内置属性，他能执行一些优化，例如对线程封闭的锁对象的锁消除优化，通过增加锁的粒度来消除内置锁的同步。

5：读-写锁

ReentrantLock实现了一种标准的互斥锁：每次最多一个线程持有ReentrantLock。但是对于维护数据的完整性来说，互斥通常是一种过于强硬的加锁规则，也会限制了并发性。

在许多情况下，数据结构上的操作大多都是“读操作”，如果能运行多个读操作的线程能同时访问数据结构，那么将大大提升程序性能；此时，多个读操作可以同时进行，或者只有一个写操作进行，但是读写操作不能够同时进行；

public interface ReadWriteLock{
<span style="white-space:pre">	</span>Lock readLock();
<span style="white-space:pre">	</span>Lock writeLock();
}

例子:

public class ReadWriteMap<K,V>{
<span style="white-space:pre">	</span>private final Map<K,V> map;
<span style="white-space:pre">	</span>private finalReentrantReadWriteLock lock=new ReentrantReadWriteLock();
<span style="white-space:pre">	</span>private final Lock r=lock.readLock();
<span style="white-space:pre">	</span>private final Lock w=lock.writeLock();
<span style="white-space:pre">	</span>public V put(K key,V value){
<span style="white-space:pre">		</span>w.lock();
<span style="white-space:pre">		</span>try{
<span style="white-space:pre">			</span>return map.put(key,value);
<span style="white-space:pre">		</span>}finally{
<span style="white-space:pre">			</span>w.unlock();
<span style="white-space:pre">		</span>}
<span style="white-space:pre">	</span>}
<span style="white-space:pre">	</span>public V get(K key){
<span style="white-space:pre">		</span>r.lock();
<span style="white-space:pre">		</span>try{
<span style="white-space:pre">			</span>return map.get(key);
<span style="white-space:pre">		</span>}finally{
<span style="white-space:pre">			</span>r.unlock();
<span style="white-space:pre">		</span>}<span style="white-space:pre">	</span>
<span style="white-space:pre">	</span>}
}