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synchronized
一介绍
在Java中synchronized关键字用于解决多线程并发访问共享资源时可能出现的线程安全问题。当多个线程同时访问共享资源时如果没有合适的同步机制可能会导致以下问题 竞态条件Race Condition多个线程在没有适当同步的情况下同时访问共享资源由于执行顺序不确定可能导致结果的不确定性或错误。 数据不一致性由于并发访问导致数据的部分修改或读取可能导致数据的不一致性。 内存可见性由于线程之间的工作内存与主内存的不同步一个线程对共享变量的修改可能对其他线程不可见导致读取到旧的值。
synchronized关键字可以解决上述问题它提供了两种主要的同步机制 互斥访问synchronized确保在同一时刻只有一个线程可以进入被synchronized修饰的代码块或方法从而避免了多个线程同时修改共享资源的情况解决了竞态条件问题。 内存可见性synchronized不仅保证了互斥访问还保证了同步代码块中共享变量的修改对其他线程可见即确保了线程之间的内存可见性。
通过使用synchronized开发人员可以有效地确保多线程环境下共享资源的安全访问避免了潜在的线程安全问题。然而需要注意的是过度使用synchronized可能会导致性能下降因此在使用时应谨慎权衡。
Java中的synchronized关键字用于实现线程同步可以修饰方法或代码块。
1. 修饰方法
当一个方法被synchronized修饰时只有获得该方法的锁的线程才能执行该方法。其他线程需要等待锁的释放才能执行该方法。
我们将创建多个线程来同时增加和减少计数器的值。
下面是修改后的代码
public class Counter {private int count 0;// 同步方法使用 synchronized 修饰public synchronized void increment() {count;}// 同步方法使用 synchronized 修饰public synchronized void decrement() {count--;}// 非同步方法public int getCount() {return count;}
}public class Main {public static void main(String[] args) {Counter counter new Counter();// 创建并启动增加计数器值的线程Thread incrementThread new Thread(() - {for (int i 0; i 1000; i) {counter.increment();}});// 创建并启动减少计数器值的线程Thread decrementThread new Thread(() - {for (int i 0; i 1000; i) {counter.decrement();}});// 启动线程incrementThread.start();decrementThread.start();// 等待两个线程执行完毕try {incrementThread.join();decrementThread.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 输出计数器的值System.out.println(Final count: counter.getCount());}
}在这个示例中我们创建了两个线程一个增加计数器值的线程incrementThread和一个减少计数器值的线程decrementThread。这两个线程会同时运行并且通过调用Counter类中的同步方法来修改计数器的值。
最后我们等待这两个线程执行完毕并输出最终的计数器值。由于我们使用了synchronized修饰方法来确保对计数器的安全访问所以最终输出的计数器值应该是预期的结果。
3. 修饰代码块
当某个对象被synchronized修饰时任何线程在执行该对象中被synchronized修饰的代码块时必须先获得该对象的锁。其他线程需要等待锁的释放才能执行同步代码块。Java中的每个对象都有一个内置锁当一个对象被synchronized修饰时它的内置锁就起作用了。只有获得该锁的线程才能访问被synchronized修饰的代码段。使用synchronized可以保证多个线程对共享数据的访问顺序避免了竞态条件和数据不一致的问题。注意synchronized关键字只能保证同一对象内部的线程同步不能保证多个对象的同步。如果需要多个对象之间的同步可以考虑使用Lock接口的实现类。
在Java中synchronized关键字用于实现线程同步可以修饰代码块、方法以及静态方法。当synchronized修饰一个代码块时它会锁定一个对象确保同时只有一个线程可以进入被修饰的代码块从而保证了线程安全。
语法格式为
synchronized (对象) {// 需要同步的代码块
}在这个语法中括号内的对象是一个锁对象每个Java对象都可以作为锁对象。当一个线程进入synchronized代码块时它会尝试获取锁对象如果锁对象被其他线程占用则当前线程会被阻塞直到获取到锁对象后才能继续执行。当线程执行完synchronized代码块后会释放锁对象其他线程就可以获取锁对象继续执行synchronized代码块。
下面是一个简单的示例
public class Example {private static final Object lock new Object();public void method() {synchronized (lock) {// 同步代码块// 在这里访问共享资源}}
}在这个示例中lock对象被用作锁对象只有获取了这个锁对象的线程才能进入synchronized代码块。
二锁升级
按照锁的升级顺序可以将锁状态和过渡描述为以下几个步骤
1.无锁状态Unlocked
初始时资源处于无锁状态没有线程正在使用它。 偏向锁Biased Locking当一个线程第一次进入同步代码块时会尝试获取偏向锁。如果成功该线程会标记为拥有偏向锁并记录下自己的线程 ID。这样在未发生竞争的情况下该线程后续访问同步代码块时可以快速获取锁避免了重量级锁的开销。
2.轻量级锁Lightweight Locking
当两个或多个线程开始竞争同一个锁时偏向锁会升级为轻量级锁。此时JVM 会使用 CASCompare and Swap操作来尝试获取锁。如果成功当前线程会获得轻量级锁并继续执行临界区代码如果失败表示有其他线程持有锁需要进行锁的膨胀。
3.自旋锁Spin Locking
在轻量级锁的基础上为了避免线程阻塞和降低线程切换的开销如果获取轻量级锁失败当前线程会选择进行自旋即忙等待一段时间。它会尝试多次使用 CAS 操作来获取锁期望其他线程能够快速释放锁。如果在自旋期间成功获取了锁线程可以继续执行临界区代码否则会进一步升级为重量级锁。
4.重量级锁Heavyweight Locking
当自旋锁无法获取到锁时或自旋次数达到一定阈值轻量级锁会膨胀为重量级锁。此时JVM 使用操作系统的互斥量Mutex来实现锁并将当前线程阻塞直到获取到锁为止。其他线程需要等待持有锁的线程释放锁后才能获取锁并执行临界区代码。 这是锁状态的一个常见升级顺序它描述了锁的不同阶段和相应的过渡。但需要注意的是在具体实现中JVM 和不同的 Java 版本可能会有一些优化和变化因此实际的锁升级过程可能略有不同。
锁会升级的主要原因是为了解决并发环境下的线程竞争和保证数据的一致性。当多个线程同时竞争同一个锁时如果使用低级别的锁如偏向锁或轻量级锁可能会导致一些问题例如
竞争激烈如果多个线程频繁地竞争同一个锁轻量级锁的 CAS 操作可能会失败导致自旋失败增加了线程切换的开销。 锁撤销偏向锁只能保证在没有竞争的情况下加锁的效率一旦有其他线程竞争锁就需要将偏向锁撤销转而升级为更高级别的锁。 锁膨胀对于长时间持有锁的线程自旋可能会浪费大量的 CPU 时间不仅影响性能还会导致其他线程无法及时获取锁。此时将轻量级锁膨胀为重量级锁可以将持有锁的线程阻塞避免自旋带来的性能损耗。 因此为了提高并发的效率和线程安全性锁会根据实际情况进行升级。锁的升级过程就是将低级别的锁转换为高级别的锁以应对竞争激烈、长时间持有锁的情况从而保证线程的顺序执行和数据的一致性。锁升级的原则是在减少线程切换开销、提高吞吐量和保证线程安全之间找到一个平衡点以最优的方式处理并发情况。
三什么是CAS
CASCompare and Swap是一种并发算法用于实现多线程环境下的原子操作。它是一种乐观锁策略通过比较内存中的值与期望值是否相等来判断数据是否被修改从而进行原子操作。
CAS 操作通常涉及三个参数内存地址或变量期望值和新值。CAS 操作会先读取内存中的值与期望值进行比较如果相等则将新值写入内存中并返回操作成功如果不相等则说明其他线程已经修改了内存的值CAS 操作失败需要重新尝试。
CAS 操作是原子性的因为它在执行期间不会被中断或打断。它可以提供非阻塞的原子性操作避免了使用锁造成的线程阻塞和上下文切换的开销。相比传统的加锁操作CAS 操作通常具有更高的并发性能。
CAS 在并发编程中有广泛的应用例如乐观锁、无锁数据结构和线程安全的计数器等。但需要注意的是CAS 操作虽然能够解决一些并发问题但在高并发环境下可能存在ABA问题即在修改期间数据经过了一系列变化又回到了原始状态需要额外的手段来解决。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class CASExample {private static AtomicInteger counter new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) {// 模拟多个线程同时对计数器进行累加操作Thread thread1 new Thread(new CounterRunnable());Thread thread2 new Thread(new CounterRunnable());thread1.start();thread2.start();// 等待两个线程执行完毕try {thread1.join();thread2.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 输出最终的计数器值System.out.println(Final Counter Value: counter.get());}static class CounterRunnable implements Runnable {Overridepublic void run() {// 对计数器进行1000次累加操作for (int i 0; i 1000; i) {// 使用CAS操作进行原子性累加while (true) {int currentValue counter.get();int newValue currentValue 1;if (counter.compareAndSet(currentValue, newValue)) {break; // CAS操作成功退出循环}// CAS操作失败继续尝试}}}}
}
