Java中嵌套同步块的冗余与必要性分析

本文深入探讨了java中嵌套`synchronized`块的冗余与必要性问题，特别是在一个方法已通过`synchronized`关键字同步，而其内部又对私有字段进行`synchronized`锁定的场景。我们将分析在何种条件下内部同步块是多余的，以及在何种条件下它对于确保跨不同同步上下文的线程安全至关重要，并提供相应的代码示例和最佳实践建议。

在Java并发编程中，synchronized关键字是实现线程安全的重要工具。它能够确保在同一时间只有一个线程可以执行特定的代码块或方法。然而，不恰当或冗余的同步可能会引入不必要的性能开销，甚至导致死锁。本文将以一个具体的代码示例出发，探讨在何种情况下，对私有字段的嵌套同步是多余的，又在何种情况下它是必不可少的。

初始场景与潜在的冗余

考虑以下Java代码片段，其中flushSink()方法被声明为synchronized，这意味着它在Wrapper实例上获取锁。在该方法内部，如果sink字段不为空，又对sink对象本身进行了synchronized锁定。

public class Wrapper {
  private volatile Sink sink;

  public synchronized void flushSink() { // 外部同步：锁定 Wrapper 实例
    if (sink != null) {
      synchronized (sink) { // 内部同步：锁定 sink 实例
        sink.flush();
      }
    }
  }

  public void close()  throws IOException {
    var sink = this.sink;
    if (sink != null) {
      sink.receivedLast();
    }
  }
}

初看之下，这种嵌套的synchronized (sink)块可能显得多余。如果两个线程同时调用flushSink()，由于flushSink()方法本身是synchronized的，它们将竞争Wrapper实例的锁。只有一个线程能成功进入flushSink()方法体，从而独占对sink字段的访问。在这种情况下，似乎没有其他线程能够同时访问并修改sink对象，那么对sink的内部同步似乎就没有必要了。

基于这种理解，代码可以被简化为：

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public class Wrapper {
  private volatile Sink sink;

  public synchronized void flushSink() {
    // 使用局部变量避免竞态条件，确保在检查非空后操作的是同一个 sink 实例
    var currentSink = this.sink; 
    if (currentSink != null) {
      currentSink.flush();
    }
  }
}

在这里，volatile关键字确保了sink引用的可见性，即一个线程对sink的写入（例如，将其设置为新实例或null）对其他线程是立即可见的。将this.sink读取到局部变量currentSink可以避免在if (currentSink != null)检查之后，currentSink在调用flush()之前被另一个线程设置为null的竞态条件。在这种特定情境下，如果Wrapper类中所有对sink字段的操作都通过synchronized方法（即锁定Wrapper实例）来保护，那么内部的synchronized (sink)确实是冗余的。

内部同步块的必要性：跨锁域的互斥

然而，上述简化并非总是正确的。内部的synchronized (sink)块的必要性，取决于sink对象是否在其他不与Wrapper实例同步的代码路径中被用作锁。

考虑以下修改后的close()方法：

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public class Wrapper {
  private volatile Sink sink;

  public synchronized void flushSink() {
    if (sink != null) {
      synchronized (sink) { // 内部同步：锁定 sink 实例
        sink.flush();
      }
    }
  }

  public void close()  throws IOException {
    var currentSink = this.sink;
    if (currentSink != null) {
      synchronized(currentSink) { // 对 sink 实例进行同步
        currentSink.receivedLast();
      }
    }
  }
}

在这个修改后的close()方法中，我们引入了synchronized(currentSink)块来保护currentSink.receivedLast()的调用。现在，情况发生了变化：

1. flushSink()方法在Wrapper实例上同步，并且在内部对sink实例同步。
2. close()方法不对Wrapper实例同步，而是直接对sink实例同步。

在这种情况下，flushSink()方法中的synchronized (sink)块就变得至关重要了。如果没有它，一个线程可能正在执行flushSink()（持有Wrapper实例的锁，但没有sink实例的锁），而另一个线程可能正在执行close()（持有sink实例的锁）。这将导致sink.flush()和sink.receivedLast()方法在sink实例上发生并发调用，从而可能破坏Sink对象的内部状态，造成不可预测的行为或数据损坏。

通过在flushSink()中也对sink实例进行同步，我们确保了对sink对象的任何操作（无论是flush()还是receivedLast()）都必须先获取sink对象的锁。这样，flush()和receivedLast()的调用就能够实现互斥，即使它们是从不同的外部同步上下文（一个在Wrapper实例上同步，另一个直接在sink实例上同步）发起的。

总结与最佳实践

• 冗余条件： 如果一个私有字段（如sink）的所有访问和操作都通过一个统一的外部锁（例如，其所在类的实例锁this）来保护，那么对该私有字段的内部同步是冗余的。外部锁已经确保了对该字段及其关联操作的独占访问。
• 必要条件： 如果该私有字段（如sink）在不同的方法或代码路径中，可能被不同的锁（或无锁）机制访问和操作，并且需要确保对sink对象自身方法的互斥访问，那么对sink的内部同步是必要的。这通常发生在sink对象本身需要作为其内部状态的保护锁时。

最佳实践建议：

1. 统一同步策略： 在设计并发类时，应尽量采用统一的同步策略。如果一个对象（如Wrapper）负责管理另一个对象（如sink）的生命周期和操作，通常由Wrapper实例的锁来保护对sink字段的访问和对sink方法的调用。
2. 明确锁的粒度： 仔细考虑需要保护的资源和操作。如果需要保护的是Wrapper的整体状态以及对sink引用的修改，那么synchronized方法（锁定this）是合适的。如果需要保护的是sink对象本身的内部状态，并且sink可能被多个不相关的组件并发访问，那么sink自身作为锁对象会更合适。
3. 避免不必要的嵌套锁： 嵌套锁会增加复杂性，提高死锁的风险，并可能影响性能。在确认没有跨锁域的并发访问问题时，应移除冗余的嵌套锁。
4. 使用局部变量避免竞态条件： 当访问volatile字段时，将其读取到局部变量是一个良好的实践，可以确保在后续操作中引用的始终是同一个实例，避免在检查非空后对象被置为null的竞态条件。

理解synchronized锁的作用范围和对象生命周期对于编写正确且高效的并发代码至关重要。在决定是否使用嵌套同步时，关键在于分析所有可能访问共享资源的线程路径，并确保所有相关操作都在一个一致的同步机制下进行。

以上就是Java中嵌套同步块的冗余与必要性分析的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！