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死磕 java同步系列之ReentrantLock VS synchronized——结果可能跟你想的不一样
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问题
（1）ReentrantLock有哪些优点？
（2）ReentrantLock有哪些缺点？
（3）ReentrantLock是否可以完全替代synchronized？
简介
synchronized是Java原生提供的用于在多线程环境中保证同步的关键字，底层是通过修改对象头中的MarkWord来实现的。
ReentrantLock是Java语言层面提供的用于在多线程环境中保证同步的类，底层是通过原子更新状态变量state来实现的。
既然有了synchronized的关键字来保证同步了，为什么还要实现一个ReentrantLock类呢？它们之间有什么异同呢？
ReentrantLock VS synchronized
直接上表格：（手机横屏查看更方便）
| 功能 | ReentrantLock | synchronized |
|---|---|---|
| 可重入 | 支持 | 支持 |
| 非公平 | 支持（默认） | 支持 |
| 加锁/解锁方式 | 需要手动加锁、解锁，一般使用try..finally..保证锁能够释放 | 手动加锁，无需刻意解锁 |
| 按key锁 | 不支持，比如按用户id加锁 | 支持，synchronized加锁时需要传入一个对象 |
| 公平锁 | 支持，new ReentrantLock(true) | 不支持 |
| 中断 | 支持，lockInterruptibly() | 不支持 |
| 尝试加锁 | 支持，tryLock() | 不支持 |
| 超时锁 | 支持，tryLock(timeout, unit) | 不支持 |
| 获取当前线程获取锁的次数 | 支持，getHoldCount() | 不支持 |
| 获取等待的线程 | 支持，getWaitingThreads() | 不支持 |
| 检测是否被当前线程占有 | 支持，isHeldByCurrentThread() | 不支持 |
| 检测是否被任意线程占有 | 支持，isLocked() | 不支持 |
| 条件锁 | 可支持多个条件，condition.await()，condition.signal()，condition.signalAll() | 只支持一个，obj.wait()，obj.notify()，obj.notifyAll() |
对比测试
在测试之前，我们先预想一下结果，随着线程数的不断增加，ReentrantLock（fair）、ReentrantLock（unfair）、synchronized三者的效率怎样呢？
我猜测应该是ReentrantLock（unfair）> synchronized > ReentrantLock（fair）。
到底是不是这样呢？
直接上测试代码：（为了全面对比，彤哥这里把AtomicInteger和LongAdder也拿来一起对比了）
public class ReentrantLockVsSynchronizedTest {
public static AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
public static LongAdder b = new LongAdder();
public static int c = 0;
public static int d = 0;
public static int e = 0;
public static final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
public static final ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(1, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(2, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(4, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(6, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(8, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(10, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(50, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(100, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(200, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(500, 100000);
System.out.println("-------------------------------------");
// testAll(1000, 1000000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(500, 10000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(500, 1000);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(500, 100);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(500, 10);
System.out.println("-------------------------------------");
testAll(500, 1);
System.out.println("-------------------------------------");
}
public static void testAll(int threadCount, int loopCount) throws InterruptedException {
testAtomicInteger(threadCount, loopCount);
testLongAdder(threadCount, loopCount);
testSynchronized(threadCount, loopCount);
testReentrantLockUnfair(threadCount, loopCount);
// testReentrantLockFair(threadCount, loopCount);
}
public static void testAtomicInteger(int threadCount, int loopCount) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < loopCount; j++) {
a.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}).start();
}
countDownLatch.await();
System.out.println("testAtomicInteger: result=" + a.get() + ", threadCount=" + threadCount + ", loopCount=" + loopCount + ", elapse=" + (System.currentTimeMillis() - start));
}
public static void testLongAdder(int threadCount, int loopCount) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < loopCount; j++) {
b.increment();
}
countDownLatch.countDown();
}).start();
}
countDownLatch.await();
System.out.println("testLongAdder: result=" + b.sum() + ", threadCount=" + threadCount + ", loopCount=" + loopCount + ", elapse=" + (System.currentTimeMillis() - start));
}
public static void testReentrantLockFair(int threadCount, int loopCount) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < loopCount; j++) {
fairLock.lock();
// 消除try的性能影响
// try {
c++;
// } finally {
fairLock.unlock();
// }
}
countDownLatch.countDown();
}).start();
}
countDownLatch.await();
System.out.println("testReentrantLockFair: result=" + c + ", threadCount=" + threadCount + ", loopCount=" + loopCount + ", elapse=" + (System.currentTimeMillis() - start));
}
public static void testReentrantLockUnfair(int threadCount, int loopCount) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < loopCount; j++) {
unfairLock.lock();
// 消除try的性能影响
// try {
d++;
// } finally {
unfairLock.unlock();
// }
}
countDownLatch.countDown();
}).start();
}
countDownLatch.await();
System.out.println("testReentrantLockUnfair: result=" + d + ", threadCount=" + threadCount + ", loopCount=" + loopCount + ", elapse=" + (System.currentTimeMillis() - start));
}
public static void testSynchronized(int threadCount, int loopCount) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < loopCount; j++) {
synchronized (ReentrantLockVsSynchronizedTest.class) {
e++;
}
}
countDownLatch.countDown();
}).start();
}
countDownLatch.await();
System.out.println("testSynchronized: result=" + e + ", threadCount=" + threadCount + ", loopCount=" + loopCount + ", elapse=" + (System.currentTimeMillis() - start));
}
}
运行这段代码，你会发现结果大大出乎意料，真的是不测不知道，一测吓一跳，运行后发现以下规律：
随着线程数的不断增加，synchronized的效率竟然比ReentrantLock非公平模式要高！
彤哥的电脑上大概是高3倍左右，我的运行环境是4核8G，java版本是8，请大家一定要在自己电脑上运行一下，并且最好能给我反馈一下。
彤哥又使用Java7及以下的版本运行了，发现在Java7及以下版本中synchronized的效率确实比ReentrantLock的效率低一些。
总结
（1）synchronized是Java原生关键字锁；
（2）ReentrantLock是Java语言层面提供的锁；
（3）ReentrantLock的功能非常丰富，解决了很多synchronized的局限性；
（4）至于在非公平模式下，ReentrantLock与synchronized的效率孰高孰低，彤哥给出的结论是随着Java版本的不断升级，synchronized的效率只会越来越高；
彩蛋
既然ReentrantLock的功能更丰富，而且效率也不低，我们是不是可以放弃使用synchronized了呢？
答：我认为不是。因为synchronized是Java原生支持的，随着Java版本的不断升级，Java团队也是在不断优化synchronized，所以我认为在功能相同的前提下，最好还是使用原生的synchronized关键字来加锁，这样我们就能获得Java版本升级带来的免费的性能提升的空间。
另外，在Java8的ConcurrentHashMap中已经把ReentrantLock换成了synchronized来分段加锁了，这也是Java版本不断升级带来的免费的synchronized的性能提升。
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