在并发编程中实现局部“正确同步”：类与组件的视角

本文探讨了java内存模型中“正确同步”这一概念是否能应用于程序的局部，而非仅限于整个程序。研究表明，通过严格的封装和对组件内部共享变量的隔离管理，一个类或集合可以独立地实现“正确同步”，从而保证其内部操作的顺序一致性，即使外部程序存在数据竞争。这为构建可信赖的并发组件提供了理论基础和实践指导。

理解Java内存模型中的“正确同步”

Java内存模型（JMM）定义了“正确同步”（correctly synchronized）这一核心概念，其在Java语言规范（JLS）中有着明确的定义：一个程序是“正确同步”的，当且仅当其所有顺序一致性执行都免于数据竞争。如果一个程序是“正确同步”的，那么该程序的所有执行都将表现为顺序一致性。这意味着，在“正确同步”的程序中，程序员无需担心复杂的内存重排序或可见性问题，程序的行为将如同单线程执行般直观。

数据竞争（Data Race）的发生通常指在没有适当同步的情况下，两个或多个线程同时访问同一个共享变量，并且至少有一个是写操作。JMM通过happens-before关系来保证同步操作的可见性和有序性，从而避免数据竞争。

将“正确同步”概念应用于局部组件

传统上，“正确同步”被视为对整个程序的属性描述。然而，在构建大型并发系统时，我们通常希望能够独立地设计和验证各个组件的并发安全性。一个自然的问题是：能否将“正确同步”这一属性应用于比整个程序更小的单元，例如一个自定义的并发集合类？

答案是肯定的，这在理论上是可行的。关键在于对组件内部状态的严格封装和管理。

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隔离共享变量的策略

如果一个并发集合类（或任何其他组件）的内部状态对外部是不可访问的，那么我们可以将构成该内部状态的共享变量视为一个独立的集合。JLS中的“共享变量”是JMM操作的基本单位。在这种情况下，我们可以将组件内部的共享变量与程序其余部分的共享变量隔离开来考虑。

这意味着，即使JLS中关于“正确同步”的证明（例如涉及引理2和定理3的证明）最初是针对整个程序提出的，其核心逻辑在应用于某个特定共享变量子集时依然成立。只要我们考虑了该组件内部所有被选定共享变量上的所有操作（读和写），就可以在局部层面评估其同步的正确性。

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局部“正确同步”的实现条件

要使一个组件实现局部“正确同步”，需满足以下条件：

1. 严格封装： 组件的内部状态（即其共享变量）必须完全封装起来，不允许外部直接访问。所有对内部状态的修改都必须通过组件提供的公共方法进行。
2. 内部同步机制： 组件内部必须使用恰当的同步机制（如synchronized关键字、ReentrantLock、volatile字段、java.util.concurrent.atomic包下的原子类等）来保护其共享变量，确保所有对这些变量的并发访问都遵循happens-before原则，从而消除数据竞争。
3. 全面考虑操作： 在验证组件的“正确同步”性时，必须考虑到所有可能对组件内部共享变量进行的读写操作，包括构造函数、方法调用以及可能的内部辅助方法。

局部“正确同步”与全局数据竞争并存

一个重要的推论是，即使程序整体存在数据竞争（即不是全局“正确同步”的），一个局部组件仍然可以实现“正确同步”。这是因为：

• 顺序一致性是针对特定共享变量的： JMM中的顺序一致性定义是关于对特定共享变量的操作序列。如果一个组件内部的共享变量上的所有操作都是顺序一致的，那么该组件就是“正确同步”的，无论程序其他部分对其他共享变量的操作如何。
• 总序的存在： 在任何执行中，总能找到一个与程序顺序和同步顺序一致的所有操作的总序（total order）。这个总序是通过对happens-before边的拓扑排序得到的。
• 读写与最新值的关系： 对一个共享变量的读操作，如果总是返回在该总序中“最新”的写操作所写入的值，那么对该变量的操作就是顺序一致的。反之，如果存在一个读操作返回的不是最新值，则说明操作不是顺序一致的。

因此，完全可能出现以下情况：

1. 对某个组件内部共享变量的操作是顺序一致的（组件是“正确同步”的）。
2. 对程序其他部分中被忽略的共享变量的操作包含数据竞争（程序整体不是“正确同步”的）。

这两种情况可以同时存在，因为它们关注的是不同集合的共享变量。

构建“正确同步”组件的实践建议

1. 明确边界： 清晰定义组件的内部状态和外部接口。任何可能被多个线程访问的内部字段都应被视为共享变量。
2. 选择合适的同步原语： 根据并发访问模式选择最适合的同步机制。例如，对于简单的计数器，AtomicInteger可能比synchronized块更高效；对于复杂的临界区，ReentrantLock提供了更灵活的控制。
3. 最小化共享： 尽量减少组件内部共享变量的数量，或者将它们设计为不可变（immutable）的，这可以大大简化同步逻辑。
4. 单元测试： 针对组件的并发行为编写严格的单元测试。使用并发测试框架（如jcstress）可以帮助发现潜在的数据竞争和可见性问题。
5. 文档说明： 在组件的文档中明确说明其并发安全性保证，以及任何使用限制或前提条件。

总结

将“正确同步”的概念应用于程序的局部组件是完全可行的，并且对于构建健壮的并发系统至关重要。通过严格的封装、恰当的内部同步机制以及对组件内部共享变量的全面管理，我们可以设计出能够独立保证顺序一致性的并发组件。这种局部化的同步保证使得开发者能够更自信地构建和组合复杂的并发模块，即使在整个程序层面无法保证完全的“正确同步”，也能确保关键组件的正确行为。

以上就是在并发编程中实现局部“正确同步”：类与组件的视角的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！