Java实现同步的几种方式

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Java提供了很多同步操作，比如synchronized关键字、wait/notifyAll、ReentrantLock、Condition、一些并发包下的工具类、Semaphore，ThreadLocal、AbstractQueuedSynchronizer等。

本文简单说明一下这几种方式的使用。

ReentrantLock可重入锁

ReentrantLock可重入锁是jdk内置的一个锁对象，可以用来实现同步，基本使用方法如下：

public class ReentrantLockTest {

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void execute() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
            try {
                Thread.sleep(5000l);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockTest reentrantLockTest = new ReentrantLockTest();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

输出：

Thread-0 do something synchronize
// 隔了5秒钟 输入下面
Thread-1 do something synchronize

这个例子表示同一时间段只能有1个线程执行execute方法。

可重入锁中可重入表示的意义在于对于同一个线程，可以继续调用加锁的方法，而不会被挂起。可重入锁内部维护一个计数器，对于同一个线程调用lock方法，计数器+1，调用unlock方法，计数器-1。

举个例子再次说明一下可重入的意思，在一个加锁方法execute中调用另外一个加锁方法anotherLock并不会被挂起，可以直接调用(调用execute方法时计数器+1，然后内部又调用了anotherLock方法，计数器+1，变成了2)：

public void execute() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
        try {
            anotherLock();
            Thread.sleep(5000l);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public void anotherLock() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

输出：

Thread-0 do something synchronize
Thread-0 invoke anotherLock
// 隔了5秒钟 输入下面
Thread-1 do something synchronize
Thread-1 invoke anotherLock

synchronized关键字

synchronized关键跟ReentrantLock一样，也支持可重入锁。但是它是一个关键字，是一种语法级别的同步方式，称为内置锁：

public class SynchronizedKeyWordTest {

    public synchronized void execute() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
        try {
            anotherLock();
            Thread.sleep(5000l);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public synchronized void anotherLock() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedKeyWordTest reentrantLockTest = new SynchronizedKeyWordTest();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

输出结果跟ReentrantLock一样，这个例子说明内置锁可以作用在方法上。它还可以作用到变量，静态方法上。

synchronized跟ReentrantLock相比，有几点局限性：

  1. 加锁的时候不能设置超时。ReentrantLock有提供tryLock方法，可以设置超时时间，如果超过了这个时间并且没有获取到锁，就会放弃，而synchronized却没有这种功能
  2. ReentrantLock可以使用多个Condition，而synchronized却只能有1个
  3. 不能中断一个试图获得锁的线程
  4. ReentrantLock可以选择公平锁和非公平锁
  5. ReentrantLock可以获得正在等待线程的个数，计数器等

Condition条件对象

条件对象的意义在于对于一个已经获取锁的线程，如果还需要等待其他条件才能继续执行的情况下，才会使用Condition条件对象。

public class ConditionTest {

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
                    try {
                        condition.await();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
                    try {
                        Thread.sleep(5000l);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                    condition.signalAll();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

这个例子中thread1执行到condition.await()时，当前线程会被挂起，直到thread2调用了condition.signalAll()方法之后，thread1才会重新被激活执行。

这里需要注意的是thread1调用Condition的await方法之后，thread1线程释放锁，然后马上加入到Condition的等待队列，由于thread1释放了锁，thread2获得锁并执行，thread2执行signalAll方法之后，Condition中的等待队列thread1被取出并加入到AQS中，接下来thread2执行完毕之后释放锁，由于thread1已经在AQS的等待队列中，所以thread1被唤醒，继续执行。

wait/notifyAll 方式

wait/notifyAll方式跟ReentrantLock/Condition方式的原理是一样的。

Java中每个对象都拥有一个内置锁，在内置锁中调用wait，notify方法相当于调用锁的Condition条件对象的await和signalAll方法。

使用wait/notifyAll实现上面的那个Condition例子：

public class WaitNotifyAllTest {

    public synchronized void doWait() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
        try {
            this.wait();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public synchronized void doNotify() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
            Thread.sleep(5000l);
            this.notifyAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        WaitNotifyAllTest waitNotifyAllTest = new WaitNotifyAllTest();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                waitNotifyAllTest.doWait();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                waitNotifyAllTest.doNotify();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

这里需要注意的是由于Condition是由锁创建的，所以调用wait/notifyAll方法的时候需要获得当前线程的锁，否则会发生IllegalMonitorStateException异常。

ThreadLocal

ThreadLocal是一种把变量放到线程本地的方式来实现线程同步的。

比如SimpleDateFormat不是一个线程安全的类，可以使用ThreadLocal实现同步。

public class ThreadLocalTest {

    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Date date = new Date();
                System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Date date = new Date();
                System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

Semaphore信号量

Semaphore信号量被用于控制特定资源在同一个时间被访问的个数。类似连接池的概念，保证资源可以被合理的使用。可以使用构造器初始化资源个数：

public class SemaphoreTest {

    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < 5; i ++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        semaphore.acquire();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                        Thread.sleep(5000l);
                        semaphore.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

}

输出：

Thread-1 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016
Thread-0 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016
Thread-3 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016
Thread-2 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016
Thread-4 Mon Apr 18 18:03:56 CST 2016

并发包下的工具类

一般情况下，我们不会使用wait/notifyAll或者ReentrantLock这种比较底层的类，而是使用并发包下提供的一些工具类。

CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器，它的构造方法中需要设置一个数值，用来设定计数的次数。每次调用countDown()方法之后，这个计数器都会减去1，CountDownLatch会一直阻塞着调用await()方法的线程，直到计数器的值变为0。

public class CountDownLatchTest {

    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        for(int i = 0; i < 5; i ++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run");
                    try {
                        Thread.sleep(5000l);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("all thread over");
    }

}

输出：

Thread-2 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-3 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-4 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-0 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-1 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
all thread over

CyclicBarrier

CyclicBarrier阻塞调用的线程，直到条件满足时，阻塞的线程同时被打开。

调用await()方法的时候，这个线程就会被阻塞，当调用await()的线程数量到达屏障数的时候，主线程就会取消所有被阻塞线程的状态。

在CyclicBarrier的构造方法中，还可以设置一个barrierAction。

在所有的屏障都到达之后，会启动一个线程来运行这里面的代码。

public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        Random random = new Random();
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
        for(int i = 0; i < 5; i ++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    int secs = random.nextInt(5);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run, sleep " + secs + " secs");
                    try {
                        Thread.sleep(secs * 1000);
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " runs over");
                }
            }).start();
        }
    }

}

相比CountDownLatch，CyclicBarrier是可以被循环使用的，而且遇到线程中断等情况时，还可以利用reset()方法，重置计数器，从这些方面来说，CyclicBarrier会比CountDownLatch更加灵活一些。

AbstractQueuedSynchronizer

AQS是很多同步工具类的基础，比如ReentrentLock里的公平锁和非公平锁，Semaphore里的公平锁和非公平锁，CountDownLatch里的锁等他们的底层都是使用AbstractQueuedSynchronizer完成的。

基于AbstractQueuedSynchronizer自定义实现一个独占锁：

public class MySynchronizer extends AbstractQueuedSynchronizer {

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        if(compareAndSetState(0, 1)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        setState(0);
        setExclusiveOwnerThread(null);
        return true;
    }

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

    public void unlock() {
        release(1);
    }

    public static void main(String[] args) {
        MySynchronizer mySynchronizer = new MySynchronizer();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mySynchronizer.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " will sleep 5 secs");
                    try {
                        Thread.sleep(5000l);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                } finally {
                    mySynchronizer.unlock();
                }
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mySynchronizer.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                } finally {
                    mySynchronizer.unlock();
                }
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

MySynchronizer并没有实现可重入功能，只是简单的一个独占锁。

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原文链接： http://fangjian0423.github.io/2016/04/18/java-synchronize-way/
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