第15讲 synchronized和ReentrantLock有什么区别呢？
从今天开始，我们将进入Java并发学习阶段。软件并发已经成为现代软件开发的基础能力，而Java精心设计的高效并发机制，正是构建大规模应用的基础之一，所以考察并发基本功也成为各个公司面试Java工程师的必选项。
今天我要问你的问题是， synchronized和ReentrantLock有什么区别？有人说synchronized最慢，这话靠谱吗？
典型回答
synchronized是Java内建的同步机制，所以也有人称其为Intrinsic Locking，它提供了互斥的语义和可见性，当一个线程已经获取当前锁时，其他试图获取的线程只能等待或者阻塞在那里。
在Java 5以前，synchronized是仅有的同步手段，在代码中， synchronized可以用来修饰方法，也可以使用在特定的代码块儿上，本质上synchronized方法等同于把方法全部语句用synchronized块包起来。
ReentrantLock，通常翻译为再入锁，是Java 5提供的锁实现，它的语义和synchronized基本相同。再入锁通过代码直接调用lock()方法获取，代码书写也更加灵活。与此同时，ReentrantLock提供了很多实用的方法，能够实现很多synchronized无法做到的细节控制，比如可以控制fairness，也就是公平性，或者利用定义条件等。但是，编码中也需要注意，必须要明确调用unlock()方法释放，不然就会一直持有该锁。
synchronized和ReentrantLock的性能不能一概而论，早期版本synchronized在很多场景下性能相差较大，在后续版本进行了较多改进，在低竞争场景中表现可能优于ReentrantLock。
考点分析
今天的题目是考察并发编程的常见基础题，我给出的典型回答算是一个相对全面的总结。
对于并发编程，不同公司或者面试官面试风格也不一样，有个别大厂喜欢一直追问你相关机制的扩展或者底层，有的喜欢从实用角度出发，所以你在准备并发编程方面需要一定的耐心。
我认为，锁作为并发的基础工具之一，你至少需要掌握：
- 理解什么是线程安全。
- synchronized、ReentrantLock等机制的基本使用与案例。
更进一步，你还需要：
- 掌握synchronized、ReentrantLock底层实现；理解锁膨胀、降级；理解偏斜锁、自旋锁、轻量级锁、重量级锁等概念。
- 掌握并发包中java.util.concurrent.lock各种不同实现和案例分析。
知识扩展
专栏前面几期穿插了一些并发的概念，有同学反馈理解起来有点困难，尤其对一些并发相关概念比较陌生，所以在这一讲，我也对会一些基础的概念进行补充。
首先，我们需要理解什么是线程安全。
我建议阅读Brain Goetz等专家撰写的《Java并发编程实战》（Java Concurrency in Practice），虽然可能稍显学究，但不可否认这是一本非常系统和全面的Java并发编程书籍。按照其中的定义，线程安全是一个多线程环境下正确性的概念，也就是保证多线程环境下共享的、可修改的状态的正确性，这里的状态反映在程序中其实可以看作是数据。
换个角度来看，如果状态不是共享的，或者不是可修改的，也就不存在线程安全问题，进而可以推理出保证线程安全的两个办法：
- 封装：通过封装，我们可以将对象内部状态隐藏、保护起来。
- 不可变：还记得我们在专栏第3讲强调的final和immutable吗，就是这个道理，Java语言目前还没有真正意义上的原生不可变，但是未来也许会引入。
线程安全需要保证几个基本特性：
- 原子性，简单说就是相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现。
- 可见性，是一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile就是负责保证可见性的。
- 有序性，是保证线程内串行语义，避免指令重排等。
可能有点晦涩，那么我们看看下面的代码段，分析一下原子性需求体现在哪里。这个例子通过取两次数值然后进行对比，来模拟两次对共享状态的操作。
你可以编译并执行，可以看到，仅仅是两个线程的低度并发，就非常容易碰到former和latter不相等的情况。这是因为，在两次取值的过程中，其他线程可能已经修改了sharedState。
public class ThreadSafeSample {
public int sharedState;
public void nonSafeAction() {
while (sharedState < 100000) {
int former = sharedState++;
int latter = sharedState;
if (former != latter - 1) {
System.out.printf("Observed data race, former is " +
former + ", " + "latter is " + latter);
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ThreadSafeSample sample = new ThreadSafeSample();
Thread threadA = new Thread(){
public void run(){
sample.nonSafeAction();
}
};
Thread threadB = new Thread(){
public void run(){
sample.nonSafeAction();
}
};
threadA.start();
threadB.start();
threadA.join();
threadB.join();
}
}
下面是在我的电脑上的运行结果：
将两次赋值过程用synchronized保护起来，使用this作为互斥单元，就可以避免别的线程并发的去修改sharedState。
如果用javap反编译，可以看到类似片段，利用monitorenter/monitorexit对实现了同步的语义：
11: astore_1
12: monitorenter
13: aload_0
14: dup
15: getfield #2 // Field sharedState:I
18: dup_x1
…
56: monitorexit
我会在下一讲，对synchronized和其他锁实现的更多底层细节进行深入分析。
代码中使用synchronized非常便利，如果用来修饰静态方法，其等同于利用下面代码将方法体囊括进来：
再来看看ReentrantLock。你可能好奇什么是再入？它是表示当一个线程试图获取一个它已经获取的锁时，这个获取动作就自动成功，这是对锁获取粒度的一个概念，也就是锁的持有是以线程为单位而不是基于调用次数。Java锁实现强调再入性是为了和pthread的行为进行区分。
再入锁可以设置公平性（fairness），我们可在创建再入锁时选择是否是公平的。
这里所谓的公平性是指在竞争场景中，当公平性为真时，会倾向于将锁赋予等待时间最久的线程。公平性是减少线程“饥饿”（个别线程长期等待锁，但始终无法获取）情况发生的一个办法。
如果使用synchronized，我们根本无法进行公平性的选择，其永远是不公平的，这也是主流操作系统线程调度的选择。通用场景中，公平性未必有想象中的那么重要，Java默认的调度策略很少会导致 “饥饿”发生。与此同时，若要保证公平性则会引入额外开销，自然会导致一定的吞吐量下降。所以，我建议只有当你的程序确实有公平性需要的时候，才有必要指定它。
我们再从日常编码的角度学习下再入锁。为保证锁释放，每一个lock()动作，我建议都立即对应一个try-catch-finally，典型的代码结构如下，这是个良好的习惯。
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);// 这里是演示创建公平锁，一般情况不需要。
fairLock.lock();
try {
// do something
} finally {
fairLock.unlock();
}
ReentrantLock相比synchronized，因为可以像普通对象一样使用，所以可以利用其提供的各种便利方法，进行精细的同步操作，甚至是实现synchronized难以表达的用例，如：
- 带超时的获取锁尝试。
- 可以判断是否有线程，或者某个特定线程，在排队等待获取锁。
- 可以响应中断请求。
- ...
这里我特别想强调条件变量（java.util.concurrent.Condition），如果说ReentrantLock是synchronized的替代选择，Condition则是将wait、notify、notifyAll等操作转化为相应的对象，将复杂而晦涩的同步操作转变为直观可控的对象行为。
条件变量最为典型的应用场景就是标准类库中的ArrayBlockingQueue等。
我们参考下面的源码，首先，通过再入锁获取条件变量：
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
两个条件变量是从同一再入锁创建出来，然后使用在特定操作中，如下面的take方法，判断和等待条件满足：
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
当队列为空时，试图take的线程的正确行为应该是等待入队发生，而不是直接返回，这是BlockingQueue的语义，使用条件notEmpty就可以优雅地实现这一逻辑。
那么，怎么保证入队触发后续take操作呢？请看enqueue实现：
private void enqueue(E e) {
// assert lock.isHeldByCurrentThread();
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = e;
if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal(); // 通知等待的线程，非空条件已经满足
}
通过signal/await的组合，完成了条件判断和通知等待线程，非常顺畅就完成了状态流转。注意，signal和await成对调用非常重要，不然假设只有await动作，线程会一直等待直到被打断（interrupt）。
从性能角度，synchronized早期的实现比较低效，对比ReentrantLock，大多数场景性能都相差较大。但是在Java 6中对其进行了非常多的改进，可以参考性能对比，在高竞争情况下，ReentrantLock仍然有一定优势。我在下一讲进行详细分析，会更有助于理解性能差异产生的内在原因。在大多数情况下，无需纠结于性能，还是考虑代码书写结构的便利性、可维护性等。
今天，作为专栏进入并发阶段的第一讲，我介绍了什么是线程安全，对比和分析了synchronized和ReentrantLock，并针对条件变量等方面结合案例代码进行了介绍。下一讲，我将对锁的进阶内容进行源码和案例分析。
一课一练
关于今天我们讨论的synchronized和ReentrantLock你做到心中有数了吗？思考一下，你使用过ReentrantLock中的哪些方法呢？分别解决什么问题？
请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习鼓励金，欢迎你与我一起讨论。
你的朋友是不是也在准备面试呢？你可以“请朋友读”，把今天的题目分享给好友，或许你能帮到他。
- 冬青树 👍（138） 💬（9）
一直在研究JUC方面的。所有的Lock都是基于AQS来实现了。AQS和Condition各自维护了不同的队列，在使用lock和condition的时候，其实就是两个队列的互相移动。如果我们想自定义一个同步器，可以实现AQS。它提供了获取共享锁和互斥锁的方式，都是基于对state操作而言的。ReentranLock这个是可重入的。其实要弄明白它为啥可重入的呢，咋实现的呢。其实它内部自定义了同步器Sync，这个又实现了AQS，同时又实现了AOS，而后者就提供了一种互斥锁持有的方式。其实就是每次获取锁的时候，看下当前维护的那个线程和当前请求的线程是否一样，一样就可重入了。
2018-06-07 - Jerry银银 👍（57） 💬（2）
先说说点学习感受： 并发领域的知识点很多也很散，并且知识点之间交错的。比如：synchronized，这个小小的关键字，能够彻底理解它，需要的知识储备有：基本使用场景、对锁的理解、对线程安全的理解、对同步语义的理解、对JMM的理解等等。有时候，一个知识点暂时做不到透彻理解，可能是正常的，需要再继续学习其它的知识点，等到一定时候，回过头来重新学习，会有一种柳暗花明又一村的感觉。我想，这也可能是老师提到的：并发领域相关知识的准备，需要点耐心。 再说说这篇专栏： 这篇专栏，在知识扩展部分，我觉得结构不是太清晰。我读了很多遍之后，还是有这种感觉：文章讲了很多东西，但是我却很难说出文章的主题。 为此，我自己总结了一下知识扩展部分的主线： 1. 进入并发领域，首先需要理解什么是线程安全，为什么会存在线程不安全，又为什么需要线程安全。这个知识点可参考《Java并发编程实践》，并且我也认为对于线程安全的讲解，这本书堪称权威； 2. 老师在讲解线程安全这个点的时候，顺其自然地使用了synchronized和ReentrantLock来保证线程安全（即：Java提供的锁机制）同时，老师也稍微讲解了一下synchronized和ReentrantLock的使用和区别； 3. 最后，老师举了一个ReentrantLock的典型使用场景：ArrayBlockingQueue。ArrayBlockingQueue使用ReentrantLock来实现加锁机制，保证队列的安全读取，并且使用Condition来实现队列阻塞的条件判断和读写端唤醒，特别提一句：具体的实现代码是相当的优雅！
2019-02-01 - BY 👍（31） 💬（4）
要是早看到这篇文章，我上次面试就过了。。
2018-06-07 - 灰飞灰猪不会灰飞.烟灭 👍（20） 💬（1）
ReentrantLock 加锁的时候通过cas算法，将线程对象放到一个双向链表中，然后每次取出链表中的头节点，看这个节点是否和当前线程相等。是否相等比较的是线程的ID。 老师我理解的对不对啊？
2018-06-07 - Kyle 👍（16） 💬（1）
最近刚看完《Java 并发编程实战》，所以今天看这篇文章觉得丝毫不费力气。开始觉得，极客时间上老师讲的内容毕竟篇幅有限，更多的还是需要我们课后去深入钻研。希望老师以后讲完课也能够适当提供些参考书目，谢谢。
2018-06-07 - Miaozhe 👍（15） 💬（2）
杨老师，问个问题，看网上有说Condition的await和signal方法，等同于Object的wait和notify，看了一下源码，没有直接的关系。 ReentractLock是基于双向链表的对接和CAS实现的，感觉比Object增加了很多逻辑，怎么会比Synchronized效率高？有疑惑。
2018-06-12 - 木瓜芒果 👍（14） 💬（3）
杨老师，您好，synchronized在低竞争场景下可能优于retrantlock，这里的什么程度算是低竞争场景呢？
2018-06-19 - Daydayup 👍（9） 💬（1）
我用过读写分离锁，读锁保证速度，写锁保证安全问题。再入锁还是挺好用的。老师写的很棒，学到不少知识。感谢
2018-06-13 - xinfangke 👍（6） 💬（3）
老师 问你个问题 在spring中 如果标注一个方法的事务隔离级别为序列化 而数据库的隔离级别是默认的隔离级别 此时此方法中的更新 插入语句是如何执行的？能保证并发不出错吗
2018-06-08 - Neil 👍（4） 💬（2）
可以理解为synchronized是悲观锁 另一个是乐观锁
2019-01-07 - sunlight001 👍（4） 💬（1）
老师这里说的低并发和高并发的场景，大致什么数量级的算低并发？我们做管理系统中用到锁的情况基本都算低并发吧
2018-06-07 - 时间总漫不经心 👍（3） 💬（1）
老师，jmm什么时候将工作内存的值写入到主内存中呢？
2018-08-10 - 风吹过wu 👍（1） 💬（1）
希望能够通过借此为契机，深入了解java并发。由于以前自学的java，不系统，借此风水宝地，好好的理理脉络，形成系统
2019-01-13 - 飞鱼 👍（1） 💬（1）
之前有被问到synchronize和ReetrantLock底层实现上的区别，笼统的答了下前者是基于JVM实现的，后者依赖于CPU底层指令的实现，关于这个，请问有更详细的解答吗？
2018-06-17 - 云学 👍（1） 💬（1）
看完还是觉得c++11的Lockguard比较优雅，难怪耗子哥说学习java是为了更好的用c++
2018-06-14