Synchronized和ReentrantLock锁的区别
Synchronized和ReentrantLock锁的区别
在Java并发编程中，锁机制是确保线程安全的重要手段。本文将深入探讨synchronized和ReentrantLock这两种常用的锁机制，分析它们的实现原理、优缺点以及适用场景。
1. 锁机制概述
1.1 如何实现线程安全？
实现线程安全的主要方式包括：
- 加锁：包括悲观锁和乐观锁
- 原子类（CAS+自旋）
- ThreadLocal
其中，CAS（Compare and Swap）是“比较并交换”的缩写，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是“排队同步器”的缩写。
1.2 synchronized
synchronized可以用于实例方法、静态方法和代码块，具有可重入性和互斥性。
1.2.1 synchronized 锁实现
Java对象的锁机制是通过monitor对象实现的。每个Java对象都有一个与之关联的monitor对象，它在JVM中用C++实现，负责锁机制和CPU硬件的交互。monitor对象包含以下组件：
- owner：标识当前持有对象锁的线程ID，如果没有线程持有锁，则值为null。
- entryList：记录正在请求锁但尚未获得锁的线程。
- waitSet：记录通过
wait方法等待的线程。
当线程获取锁后，计数器会+1，重复获取锁时计数器会持续增加。释放锁时计数器会-1，直到为0时其他线程才能获取锁。
1.2.2 synchronized 锁升级演变
为了解决synchronized的性能问题，JDK1.6引入了锁升级机制，根据线程竞争程度设计了不同类型的锁：
1.2.3 Java 对象结构
Java对象的内存布局主要包括：
- 对象头：
- mark word：存储对象的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等。
- class pointer：指向对象的类元数据。
- 对象中的实际数据：存储对象的变量和内部对象。
- 对齐填充：用于内存对齐，提高访问速度。
1.2.4 mark word
mark word在不同锁状态下的存储信息如下：
- 无锁：对象创建后，没有线程访问时的状态。
- 偏向锁：当一个线程首次访问对象时，会将mark word标记为偏向锁，并记录线程ID。
- 轻量级锁：当另一个线程尝试获取锁时，会通过CAS操作尝试获取锁。
- 重量级锁：当多个线程竞争锁时，会升级为重量级锁，使用操作系统提供的互斥量进行同步。
1.2.5 锁升级过程
锁升级过程如下：
- 无锁：对象创建后，没有线程访问时的状态。
- 偏向锁：当一个线程首次访问对象时，会将mark word标记为偏向锁，并记录线程ID。
- 轻量级锁：当另一个线程尝试获取锁时，会通过CAS操作尝试获取锁。
- 重量级锁：当多个线程竞争锁时，会升级为重量级锁，使用操作系统提供的互斥量进行同步。
锁升级是JVM自动管理的，且升级过程不可逆。
1.3 ReentrantLock
ReentrantLock的内部结构如下：
- Sync：同步锁的基础类。
- FairSync：公平同步锁。
- NonfairSync：非公平同步锁。
ReentrantLock默认是非公平锁，可以通过构造函数指定公平锁。ReentrantLock底层使用CAS操作实现，但整体设计上更偏向于悲观锁，提供了更多的功能和灵活性，如可重入性、可中断性和公平性选择。
1.4 synchronized 和 ReentrantLock 对比
相同点：
都是悲观锁
都具有可重入性
区别：
加锁方式：synchronized通过操作系统层面的互斥变量mutex实现，而ReentrantLock基于CAS操作实现。
可中断性：ReentrantLock支持可中断的锁获取，而synchronized不支持。
公平性：ReentrantLock可以选择公平或非公平锁，而synchronized默认是非公平锁。
1.5 为什么synchronized比较慢？AQS是如何解决的？
synchronized的性能问题主要在于：
- 性能开销：每次获取和释放锁都需要通过操作系统内核态进行，导致上下文切换和系统调用开销。
- 缺乏灵活性：synchronized是一种悲观锁，一旦有线程进入临界区，其他线程都要被阻塞。
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）通过以下方式优化了锁的实现：
- 队列管理：使用FIFO队列管理等待获取同步状态的线程。
- CAS操作：减少对操作系统层面锁操作的依赖，降低性能开销。
- 灵活性：支持独占锁、共享锁等不同类型的同步器实现。
1.6 tomcat 和 spring 线程池为什么要分开
Tomcat和Spring的线程池分开主要是为了解耦：
- Tomcat线程池：用于处理客户端请求。
- Spring线程池：用于处理业务逻辑。
这种分离使得系统架构更加清晰，便于管理和优化。
2. 原子类
2.1 AtomicLong 和 LongAdder
AtomicLong和LongAdder都是用于原子更新long类型值的工具类，但它们有一些区别：
- 竞争热点：AtomicLong存在单一的竞争点，所有线程都竞争同一把锁。而LongAdder通过分段存储减少竞争。
- 内部结构：AtomicLong使用CAS操作实现单个long值的原子更新，而LongAdder使用线程本地的long值数组。
- 空间占用：AtomicLong占用固定内存，而LongAdder在高并发场景下可能占用更多内存。
示例代码：
// 使用 AtomicLong 进行原子操作
AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
atomicLong.incrementAndGet();
// 使用 LongAdder 进行原子操作
LongAdder longAdder = new LongAdder();
longAdder.increment();
总结来说，AtomicLong适合低竞争场景，而LongAdder适合高并发场景。