一. synchronized 的局限性与 Lock 的优点

我们已经知道，synchronized 是Java的关键字，是Java的内置特性，在JVM层面实现了对临界资源的同步互斥访问，但 synchronized 粒度有些大，在处理实际问题时存在诸多局限性，比如响应中断等。Lock 提供了比 synchronized更广泛的锁操作，它能以更优雅的方式处理线程同步问题。本文以synchronized与Lock的对比为切入点，对Java中的Lock框架的枝干部分进行了详细介绍，最后给出了锁的一些相关概念。

一. synchronized 的局限性与 Lock 的优点

如果一个代码块被synchronized关键字修饰，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待直至占有锁的线程释放锁。事实上，占有锁的线程释放锁一般会是以下三种情况之一：

占有锁的线程执行完了该代码块，然后释放对锁的占有；
占有锁线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁；
占有锁线程进入 WAITING 状态从而释放锁，例如在该线程中调用wait()方法等。

synchronized 是Java语言的内置特性，可以轻松实现对临界资源的同步互斥访问。那么，为什么还会出现Lock呢？试考虑以下三种情况：

Case 1 ：

在使用synchronized关键字的情形下，假如占有锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，那么其他线程就只能一直等待，别无他法。这会极大影响程序执行效率。因此，就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间 (解决方案：tryLock(long time, TimeUnit unit)) 或者能够响应中断 (解决方案：lockInterruptibly())），这种情况可以通过 Lock 解决。

Case 2 ：

我们知道，当多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作也会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。但是如果采用synchronized关键字实现同步的话，就会导致一个问题，即当多个线程都只是进行读操作时，也只有一个线程在可以进行读操作，其他线程只能等待锁的释放而无法进行读操作。因此，需要一种机制来使得当多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突。同样地，Lock也可以解决这种情况 (解决方案：ReentrantReadWriteLock) 。

Case 3 ：

我们可以通过Lock得知线程有没有成功获取到锁 (解决方案：ReentrantLock) ，但这个是synchronized无法办到的。

上面提到的三种情形，我们都可以通过Lock来解决，但 synchronized 关键字却无能为力。事实上，Lock 是 java.util.concurrent.locks包下的接口，Lock 实现提供了比 synchronized 关键字更广泛的锁操作，它能以更优雅的方式处理线程同步问题。也就是说，Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：

1）synchronized是Java的关键字，因此是Java的内置特性，是基于JVM层面实现的。而Lock是一个Java接口，是基于JDK层面实现的，通过这个接口可以实现同步访问；

2）采用synchronized方式不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而 Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致死锁现象。

二. java.util.concurrent.locks包下常用的类与接口

以下是 java.util.concurrent.locks包下主要常用的类与接口的关系：

1、Lock

通过查看Lock的源码可知，Lock 是一个接口：

public interface Lock {void lock();void lockInterruptibly() throws InterruptedException;  // 可以响应中断boolean tryLock();boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;  // 可以响应中断void unlock();Condition newCondition();
}

下面来逐个分析Lock接口中每个方法。lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit) 和 lockInterruptibly()都是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition() 返回绑定到此 Lock 的新的 Condition 实例，用于线程间的协作，详细内容见文章《Java 并发：线程间通信与协作》。

1). lock()

在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？首先，lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。在前面已经讲到，如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此，一般来说，使用Lock必须在try…catch…块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{//处理任务
}catch(Exception ex){}finally{lock.unlock();   //释放锁
}

2). tryLock() & tryLock(long time, TimeUnit unit)

tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true；如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就是说，这个方法无论如何都会立即返回（在拿不到锁时不会一直在那等待）。

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false，同时可以响应中断。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

一般情况下，通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {try{//处理任务}catch(Exception ex){}finally{lock.unlock();   //释放锁}
}else {//如果不能获取锁，则直接做其他事情
}

3). lockInterruptibly()

lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。例如，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出 InterruptedException，但推荐使用后者，原因稍后阐述。因此，lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

public void method() throws InterruptedException {lock.lockInterruptibly();try {  //.....}finally {lock.unlock();}
}

注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为interrupt()方法只能中断阻塞过程中的线程而不能中断正在运行过程中的线程。因此，当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，那么只有进行等待的情况下，才可以响应中断的。与 synchronized 相比，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

2、ReentrantLock

ReentrantLock，即可重入锁。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例学习如何使用 ReentrantLock。

例 1 ： Lock 的正确使用

public class Test {private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();public static void main(String[] args) {final Test test = new Test();new Thread("A") {public void run() {test.insert(Thread.currentThread());};}.start();new Thread("B") {public void run() {test.insert(Thread.currentThread());};}.start();}public void insert(Thread thread) {Lock lock = new ReentrantLock();  // 注意这个地方:lock被声明为局部变量lock.lock();try {System.out.println("线程" + thread.getName() + "得到了锁...");for (int i = 0; i < 5; i++) {arrayList.add(i);}} catch (Exception e) {} finally {System.out.println("线程" + thread.getName() + "释放了锁...");lock.unlock();}}
}/* Output: 线程A得到了锁...线程B得到了锁...线程A释放了锁...线程B释放了锁...*///:~

结果或许让人觉得诧异。第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁？原因在于，在insert方法中的lock变量是局部变量，每个线程执行该方法时都会保存一个副本，那么每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会对临界资源形成同步互斥访问。因此，我们只需要将lock声明为成员变量即可，如下所示。

public class Test {private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();private Lock lock = new ReentrantLock();  // 注意这个地方:lock被声明为成员变量...
}/* Output: 线程A得到了锁...线程A释放了锁...线程B得到了锁...线程B释放了锁...*///:~

例 2 ： tryLock() & tryLock(long time, TimeUnit unit)

public class Test {private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();private Lock lock = new ReentrantLock(); // 注意这个地方：lock 被声明为成员变量public static void main(String[] args) {final Test test = new Test();new Thread("A") {public void run() {test.insert(Thread.currentThread());};}.start();new Thread("B") {public void run() {test.insert(Thread.currentThread());};}.start();}public void insert(Thread thread) {if (lock.tryLock()) {     // 使用 tryLock()try {System.out.println("线程" + thread.getName() + "得到了锁...");for (int i = 0; i < 5; i++) {arrayList.add(i);}} catch (Exception e) {} finally {System.out.println("线程" + thread.getName() + "释放了锁...");lock.unlock();}} else {System.out.println("线程" + thread.getName() + "获取锁失败...");}}
}/* Output: 线程A得到了锁...线程B获取锁失败...线程A释放了锁...*///:~

与 tryLock() 不同的是，tryLock(long time, TimeUnit unit) 能够响应中断，即支持对获取锁的中断，但尝试获取一个内部锁的操作（进入一个 synchronized 块）是不能被中断的。如下所示：

public class Test {private Lock lock = new ReentrantLock();   public static void main(String[] args)  {Test test = new Test();MyThread thread1 = new MyThread(test,"A");MyThread thread2 = new MyThread(test,"B");thread1.start();thread2.start();try {Thread.sleep(2000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}thread2.interrupt();}  public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{if(lock.tryLock(4, TimeUnit.SECONDS)){try {System.out.println("time=" + System.currentTimeMillis() + " ,线程 " + thread.getName()+"得到了锁...");long now = System.currentTimeMillis();while (System.currentTimeMillis() - now < 5000) {// 为了避免Thread.sleep()而需要捕获InterruptedException而带来的理解上的困惑,// 此处用这种方法空转3秒}}finally{lock.unlock();}}else {System.out.println("线程 " + thread.getName()+"放弃了对锁的获取...");}}
}class MyThread extends Thread {private Test test = null;public MyThread(Test test,String name) {super(name);this.test = test;}@Overridepublic void run() {try {test.insert(Thread.currentThread());} catch (InterruptedException e) {System.out.println("time=" + System.currentTimeMillis() + " ,线程 " + Thread.currentThread().getName() + "被中断...");}}
}/* Output: time=1486693682559, 线程A 得到了锁...time=1486693684560, 线程B 被中断...(响应中断，时间恰好间隔2s)*///:~

例 3 ：使用 lockInterruptibly() 响应中断

public class Test {private Lock lock = new ReentrantLock();   public static void main(String[] args)  {Test test = new Test();MyThread thread1 = new MyThread(test,"A");MyThread thread2 = new MyThread(test,"B");thread1.start();thread2.start();try {Thread.sleep(2000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}thread2.interrupt();}  public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{//注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将 InterruptedException 抛出lock.lockInterruptibly(); try {  System.out.println("线程 " + thread.getName()+"得到了锁...");long startTime = System.currentTimeMillis();for(    ;     ; ) {              // 耗时操作if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)break;//插入数据}}finally {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally...");lock.unlock();System.out.println("线程 " + thread.getName()+"释放了锁");} System.out.println("over");}
}class MyThread extends Thread {private Test test = null;public MyThread(Test test,String name) {super(name);this.test = test;}@Overridepublic void run() {try {test.insert(Thread.currentThread());} catch (InterruptedException e) {System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "被中断...");}}
}/* Output: 线程 A得到了锁...线程 B被中断...*///:~

运行上述代码之后，发现 thread2 能够被正确中断，放弃对任务的执行。特别需要注意的是，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面（try 语句块外），然后将 InterruptedException 抛出。如果不这样做，像如下代码所示：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test {private Lock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {Test test = new Test();MyThread thread1 = new MyThread(test, "A");MyThread thread2 = new MyThread(test, "B");thread1.start();thread2.start();try {Thread.sleep(5000);System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName()+ " 睡醒了...");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}thread2.interrupt();}public void insert(Thread thread) {try {// 注意，如果将获取锁放在try语句块里，则必定会执行finally语句块中的解锁操作。若线程在获取锁时被中断，则再执行解锁操作就会导致异常，因为该线程并未获得到锁。lock.lockInterruptibly();System.out.println("线程 " + thread.getName() + "得到了锁...");long startTime = System.currentTimeMillis();for (;;) {if (System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE) // 耗时操作break;// 插入数据}} catch (Exception e) {} finally {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "执行finally...");lock.unlock();System.out.println("线程 " + thread.getName() + "释放了锁...");}}
}class MyThread extends Thread {private Test test = null;public MyThread(Test test, String name) {super(name);this.test = test;}@Overridepublic void run() {test.insert(Thread.currentThread());System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + "被中断...");}
}/* Output: 线程A 得到了锁...线程main 睡醒了...B执行finally...Exception in thread "B" java.lang.IllegalMonitorStateExceptionat java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(Unknown Source)at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(Unknown Source)at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(Unknown Source)at Test.insert(Test.java:39)at MyThread.run(Test.java:56)*///:~

注意，上述代码就将锁的获取操作放在try语句块里，则必定会执行finally语句块中的解锁操作。在准备获取锁的线程B 被中断后，再执行解锁操作就会抛出 IllegalMonitorStateException，因为该线程并未获得到锁却执行了解锁操作。

3、ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：

public interface ReadWriteLock {/*** Returns the lock used for reading.** @return the lock used for reading.*/Lock readLock();/*** Returns the lock used for writing.** @return the lock used for writing.*/Lock writeLock();
}

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说，将对临界资源的读写操作分成两个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的 ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口。

4、ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock 里面提供了很多丰富的方法，不过最主要的有两个方法：readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。假如有多个线程要同时进行读操作的话，先看一下synchronized达到的效果：

public class Test {public static void main(String[] args)  {final Test test = new Test();new Thread("A"){public void run() {test.get(Thread.currentThread());};}.start();new Thread("B"){public void run() {test.get(Thread.currentThread());};}.start();}  public synchronized void get(Thread thread) {long start = System.currentTimeMillis();System.out.println("线程"+ thread.getName()+"开始读操作...");while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {System.out.println("线程"+ thread.getName()+"正在进行读操作...");}System.out.println("线程"+ thread.getName()+"读操作完毕...");}
}/* Output: 线程A开始读操作...线程A正在进行读操作......线程A正在进行读操作...线程A读操作完毕...线程B开始读操作...线程B正在进行读操作......线程B正在进行读操作...线程B读操作完毕...*///:~

这段程序的输出结果会是，直到线程A执行完读操作之后，才会打印线程B执行读操作的信息。而改成使用读写锁的话：

public class Test {private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();public static void main(String[] args) {final Test test = new Test();new Thread("A") {public void run() {test.get(Thread.currentThread());};}.start();new Thread("B") {public void run() {test.get(Thread.currentThread());};}.start();}public void get(Thread thread) {rwl.readLock().lock(); // 在外面获取锁try {long start = System.currentTimeMillis();System.out.println("线程" + thread.getName() + "开始读操作...");while (System.currentTimeMillis() - start <= 1) {System.out.println("线程" + thread.getName() + "正在进行读操作...");}System.out.println("线程" + thread.getName() + "读操作完毕...");} finally {rwl.readLock().unlock();}}
}/* Output: 线程A开始读操作...线程B开始读操作...线程A正在进行读操作...线程A正在进行读操作...线程B正在进行读操作......线程A读操作完毕...线程B读操作完毕...*///:~

我们可以看到，线程A和线程B在同时进行读操作，这样就大大提升了读操作的效率。不过要注意的是，如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程也会一直等待释放写锁。

5、Lock和synchronized的选择

总的来说，Lock和synchronized有以下几点不同：

(1) Lock是一个接口，是JDK层面的实现；而synchronized是Java中的关键字，是Java的内置特性，是JVM层面的实现；
(2) synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
(3) Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
(4) 通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到；
(5) Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的。而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

三. 锁的相关概念介绍

1、可重入锁

如果锁具备可重入性，则称作为可重入锁。像 synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制：基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子，当一个线程执行到某个synchronized方法时，比如说method1，而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2，此时线程不必重新去申请锁，而是可以直接执行方法method2。

class MyClass {public synchronized void method1() {method2();}public synchronized void method2() {}
}

上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了。假如某一时刻，线程A执行到了method1，此时线程A获取了这个对象的锁，而由于method2也是synchronized方法，假如synchronized不具备可重入性，此时线程A需要重新申请锁。但是，这就会造成死锁，因为线程A已经持有了该对象的锁，而又在申请获取该对象的锁，这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。而由于synchronized和Lock都具备可重入性，所以不会发生上述现象。

2、可中断锁

顾名思义，可中断锁就是可以响应中断的锁。在Java中，synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。
如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。在前面演示tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。

3、公平锁

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如，同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该所，这种就是公平锁。而非公平锁则无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的，这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。

在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。而对于ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。

看下面两个例子：

Case : 公平锁

public class RunFair {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {final Service service = new Service(true);     // 公平锁，设为 trueRunnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName()+ "运行了");service.serviceMethod();}};Thread[] threadArray = new Thread[10];for (int i = 0; i < 10; i++) threadArray[i] = new Thread(runnable);for (int i = 0; i < 10; i++) threadArray[i].start(); }
}
class Service {private ReentrantLock lock;public Service(boolean isFair) {super();lock = new ReentrantLock(isFair);}public void serviceMethod() {try {lock.lock();System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()+ "获得锁定");} finally {lock.unlock();}}
}/* Output: 线程Thread-0运行了线程Thread-1运行了ThreadName=Thread-1获得锁定ThreadName=Thread-0获得锁定线程Thread-2运行了ThreadName=Thread-2获得锁定线程Thread-3运行了线程Thread-4运行了ThreadName=Thread-4获得锁定线程Thread-5运行了ThreadName=Thread-5获得锁定ThreadName=Thread-3获得锁定线程Thread-6运行了线程Thread-7运行了ThreadName=Thread-6获得锁定线程Thread-8运行了线程Thread-9运行了ThreadName=Thread-7获得锁定ThreadName=Thread-8获得锁定ThreadName=Thread-9获得锁定
*///:~

Case: 非公平锁

public class RunFair {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {final Service service = new Service(false);  // 非公平锁，设为 false...
}/* Output: 线程Thread-0运行了ThreadName=Thread-0获得锁定线程Thread-2运行了ThreadName=Thread-2获得锁定线程Thread-6运行了线程Thread-1运行了ThreadName=Thread-6获得锁定线程Thread-3运行了ThreadName=Thread-3获得锁定线程Thread-7运行了ThreadName=Thread-7获得锁定线程Thread-4运行了ThreadName=Thread-4获得锁定线程Thread-5运行了ThreadName=Thread-5获得锁定线程Thread-8运行了ThreadName=Thread-8获得锁定线程Thread-9运行了ThreadName=Thread-9获得锁定ThreadName=Thread-1获得锁定
*///:~

根据上面代码演示结果我们可以看出（线程数越多越明显），在公平锁案例下，多个线程在等待一个锁时，一般而言，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该锁。而在非公平锁例下，则无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。

另外，在ReentrantLock类中定义了很多方法，举几个例子：

isFair() //判断锁是否是公平锁
isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了
isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了
hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁
getHoldCount() //查询当前线程占有lock锁的次数
getQueueLength() // 获取正在等待此锁的线程数
getWaitQueueLength(Condition condition) // 获取正在等待此锁相关条件condition的线程数在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法，同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住，ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口，它实现的是ReadWriteLock接口。

4.读写锁

读写锁将对临界资源的访问分成了两个锁，一个读锁和一个写锁。正因为有了读写锁，才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。ReadWriteLock就是读写锁，它是一个接口，ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。可以通过readLock()获取读锁，通过writeLock()获取写锁。上一节已经演示过了读写锁的使用方法，在此不再赘述。