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Java并发编程中的同步机制深度解析

碧海醫心
发布: 2025-11-11 14:29:29
原创
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Java并发编程中的同步机制深度解析

本文深入探讨java并发编程中的同步机制,重点解析`synchronized`关键字在方法和代码块中的应用,以及`wait()`、`notify()`和`notifyall()`方法实现线程间通信的原理。文章通过具体场景分析了共享资源访问的线程安全性问题,强调了正确使用锁对象的重要性,并提供了示例代码,帮助读者理解如何避免数据不一致和实现有效的线程协作。

理解Java中的同步机制

在多线程环境中,为了保证共享数据的完整性和一致性,Java提供了多种同步机制。其中,synchronized关键字是最基本也是最常用的方式,它基于监视器(Monitor)锁实现。每个Java对象都可以作为一个监视器锁,当一个线程进入synchronized代码块或方法时,它会尝试获取该对象的锁。如果锁已被其他线程持有,当前线程就会被阻塞,直到锁被释放。

1. synchronized与共享资源访问

synchronized关键字可以用于修饰方法或代码块。当修饰方法时,它锁定的是当前实例对象(对于静态方法,锁定的是类的Class对象);当修饰代码块时,它锁定的是括号中指定的对象。

考虑以下场景,一个共享列表a和两个操作它的方法:

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class SynchronizedExample {
    private List<Integer> a = new ArrayList<>();

    // 方法foo使用synchronized块来保护对列表a的写入操作
    public void foo(int i) {
        synchronized (a) { // 锁定列表a对象
            a.add(i);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " added: " + i + ", current size: " + a.size());
        }
    }

    // 方法goo读取列表a的大小
    public int goo() {
        // 错误的示例:未同步访问共享资源
        // return a.size(); 

        // 正确的同步方式:也需要锁定列表a对象
        synchronized (a) { 
            int size = a.size();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " read size: " + size);
            return size;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();

        // 线程1执行foo
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                example.foo(i);
                try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
            }
        }, "WriterThread");

        // 线程2执行goo
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                example.goo();
                try { Thread.sleep(15); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
            }
        }, "ReaderThread");

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("Final size of list a: " + example.a.size());
    }
}
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  • 未同步的goo()方法: 如果goo()方法不使用synchronized (a),那么当一个线程在foo()中持有a的锁并修改a时,另一个线程可以同时进入goo()并访问a。这会导致严重的数据不一致问题。例如,foo()可能已经添加了一个元素,但由于内存可见性问题,goo()可能仍然读取到旧的、未更新的列表大小。synchronized不仅保证了原子性,还保证了内存可见性。
  • 正确的同步: 为了确保数据一致性,所有对共享资源(例如这里的List a)的访问(无论是读还是写)都必须通过相同的锁对象进行同步。这意味着goo()方法也应该使用synchronized (a)来保护对a.size()的访问。当一个线程在foo()中获取a的锁时,其他尝试进入foo()或goo()(如果goo()也同步在a上)的线程将被阻塞,直到锁被释放。

结论: 只要访问的是同一个共享对象,并且使用了相同的锁对象进行同步,那么在任何时刻,只有一个线程能够执行受该锁保护的代码块。如果对共享资源的访问没有全部同步,则无法保证线程安全。

2. wait(), notify(), notifyAll() 实现线程协作

wait(), notify(), notifyAll()是Object类的方法,用于实现线程间的协作和通信。它们必须在synchronized代码块或方法内部调用,并且操作的锁对象必须是当前线程所持有的监视器锁。

考虑一个使用wait()和notifyAll()的同步方法:

public class WaitNotifyExample {
    private boolean conditionMet = false;

    public synchronized void fooWithWaitNotify() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " entered fooWithWaitNotify.");
        // do stuff before waiting
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " doing stuff before wait.");

        // 假设某个条件满足后才需要通知
        if (!conditionMet) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is about to wait, releasing lock.");
                wait(); // 释放当前对象的锁,并进入等待状态
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " woke up and re-acquired lock.");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }

        // do stuff after waiting or if conditionMet was true initially
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " doing stuff after wait/condition met.");

        // 模拟条件满足,通知其他等待线程
        if (Thread.currentThread().getName().equals("NotifierThread")) {
            conditionMet = true; // 改变条件
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " notifying all waiting threads.");
            notifyAll(); // 通知所有等待在当前对象上的线程
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " exiting fooWithWaitNotify.");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            example.fooWithWaitNotify();
        }, "WaiterThread");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100); // 确保WaiterThread先进入等待
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            example.fooWithWaitNotify(); // 这个线程会触发notifyAll
        }, "NotifierThread");

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }
}
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  1. 线程1 (WaiterThread)进入fooWithWaitNotify(): 它获取了example对象的锁。
  2. WaiterThread调用wait(): 当WaiterThread执行到wait()时,它会立即释放example对象的锁,然后进入等待状态(WAITING或TIMED_WAITING)。
  3. 线程2 (NotifierThread)进入fooWithWaitNotify(): 此时example对象的锁已被WaiterThread释放,所以NotifierThread可以成功获取锁并进入方法。
  4. NotifierThread调用notifyAll(): NotifierThread执行到notifyAll(),它会唤醒所有(包括WaiterThread)正在example对象上等待的线程。但是,被唤醒的线程(WaiterThread)不会立即恢复执行。它必须重新尝试获取example对象的锁。
  5. NotifierThread退出方法: NotifierThread继续执行,直到方法结束,此时它会释放example对象的锁
  6. WaiterThread恢复执行: NotifierThread释放锁后,WaiterThread才能成功重新获取锁,然后从wait()调用的下一行代码继续执行。

关键点: wait()会释放锁,而notify()/notifyAll()不会释放锁,它们只是将等待线程从等待队列移到同步队列,等待获取锁。

3. 线程间通信与notify()特定线程

wait()和notify()/notifyAll()是基于对象监视器的机制,而不是直接操作Thread实例。这意味着你不能直接“通知”一个特定的Thread对象。相反,你需要让需要被通知的线程在一个共享的锁对象上调用wait(),而通知者则在该同一个共享锁对象上调用notify()或notifyAll()。

如果你的目标是通知一个由Lambda表达式创建的线程,你需要确保这个Lambda表达式所运行的线程能够访问到一个共享的锁对象,并且这个锁对象也能够被通知者访问。

public class A implements Runnable {
    Thread b;
    // 声明一个共享的锁对象,可以是this,也可以是专门创建的Object
    private final Object lock = new Object(); 
    private boolean bStarted = false;

    public void foo() {
        b = new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " (lambda thread) started.");
            synchronized (lock) { // Lambda线程在lock对象上等待
                bStarted = true;
                lock.notify(); // 通知foo方法b线程已经启动
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " (lambda thread) waiting for notification...");
                    lock.wait(); // 等待goo方法的通知
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " (lambda thread) received notification from goo!");
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " (lambda thread) finished.");
        }, "LambdaThread-B");

        synchronized (lock) {
            b.start();
            // 等待LambdaThread-B启动并通知
            while (!bStarted) {
                try {
                    lock.wait(); 
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
            System.out.println("Main thread: LambdaThread-B has started.");
        }
    }

    public void goo() {
        synchronized (lock) { // goo方法也在同一个lock对象上同步
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " in goo, notifying LambdaThread-B.");
            lock.notify(); // 通知等待在lock对象上的线程
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        // This run method is not directly used in the example but is required by Runnable
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        A instance = new A();
        instance.foo(); // 启动lambda线程

        Thread.sleep(1000); // 确保lambda线程有时间进入等待状态

        instance.goo(); // 通知lambda线程
        instance.b.join(); // 等待lambda线程结束
        System.out.println("All threads finished.");
    }
}
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  • 共享锁对象: 在A类中定义了一个private final Object lock = new Object();作为共享的锁对象。
  • Lambda线程的wait(): b线程(Lambda表达式)在其内部通过synchronized (lock)获取lock对象的锁,然后调用lock.wait()进入等待状态。
  • goo()方法的notify(): goo()方法也通过synchronized (lock)获取lock对象的锁,然后调用lock.notify()来唤醒等待在lock对象上的线程(即b线程)。
  • foo()中的初始同步: foo()方法也使用lock对象进行同步,并等待b线程启动后发出的通知,这确保了b线程已经准备好接收goo()的通知。

通过这种方式,即使你没有直接的Thread引用来操作,只要能够访问到同一个共享的锁对象,就可以实现线程间的通信。

总结与最佳实践

Java的同步机制是构建健壮并发应用程序的基础。正确理解和应用synchronized、wait()、notify()和notifyAll()至关重要。

  • 同步所有对共享可变状态的访问: 任何时候,只要有多个线程可能同时读写一个共享的可变数据,就必须使用同步机制来保护它,并且所有访问点都必须使用相同的锁。
  • 选择合适的锁对象: 对于实例方法,通常使用this;对于静态方法,使用Class对象。对于代码块,可以选择任何非null的Object实例作为锁。避免使用字符串字面量或基本类型的包装类作为锁,因为它们可能被JVM缓存,导致意想不到的共享。
  • wait()/notify()必须在synchronized块中调用: 并且要确保它们操作的是当前线程持有的锁对象。
  • 始终在循环中检查等待条件: 使用while (condition)而不是if (condition)来检查wait()后的条件,因为线程可能被虚假唤醒(spurious wakeup),或者被其他线程通知但条件尚未真正满足。
  • 考虑使用java.util.concurrent包: 对于更复杂的并发场景,java.util.concurrent包提供了更高级、更灵活、性能更好的并发工具,如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier以及各种并发集合(如ConcurrentHashMap、BlockingQueue)。它们通常比内置的synchronized提供更好的控制和可伸缩性。
  • 避免死锁: 仔细设计锁的获取顺序,避免循环依赖,以防止死锁的发生。

通过深入理解这些机制并遵循最佳实践,开发者可以有效地构建安全、高效的并发Java应用程序。

以上就是Java并发编程中的同步机制深度解析的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

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