synchronize原理以及和CAS的浅层比较

本文探讨了在多线程环境下,为何需要同步(synchronize)操作。通过例子解释了非原子操作可能导致的数据不一致问题,并介绍了两种解决办法:使用CAS(Compare and Swap)和synchronized关键字确保原子性。同时,提到了ReentrantLock作为另一种保证原子性的手段,但需要注意异常处理以避免死锁。

1.为什么需要synchronize

我自己的理解(问题):当多个线程对同一个对象M进行操作的时候,如果是非原子性对象(比如a++这样的,要分好几个指令来走),A线程处理该对象M的时候,很可能会出现在执行完某个指令之后,因为被分配到cpu时间片段用完了,只能等待再次被分配时间片段,而这时,其他线程(线程B)对该对象进行了操作,导致对象M的值不一样了,之后由于A线程被分配到了时间片段,所以可以继续执行未处理完的指令,但是它很傻,不会在处理前看看对象M是否已经变了,而是继续按照之前拿到值进行操作。

我自己的理解(处理):两种方式 ①在对象M上加一个判断,使得线程A在处理该数据的时候,会去拿最新的值与原值进行比较,如果没有人动过,那就继续完成其它指令。

                                                       ②加上一个保护,我没有完成一系列的指令前,谁都不能动,直到我完成了相关指令,其它线程才能对其进行处理。这样可以保证其原子性。

我自己的理解(具体实现):①咱们可以用CAS(compare and swap)来进行

//声明
private static AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);
//使用 自增
cout.incrementAndGet();
//使用 自减
cout.decrementAndGet();

②可以用synchronize来实现原子性

//想要哪一快保持原子性,就把那一块用中括号括起来
synchronized(this){
    a++
}
//静态方法需要的是类锁,所以需要.class对象的锁
synchronized(b.class){
a++
}

当然也可以用lock来锁,这个是程序员自己整的,也能保持原子性,但是呢,要注意不能加上try语块,免得出现异常,出现了死锁

//声明一把可重入锁
private ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
//上锁
lock.lock();
try{
a++
}finally{
//释放锁
lock.unlock;
}

 

### Java `synchronized` 锁机制原理深入分析 #### 1. 锁的基本概念 在Java中,`synchronized` 是一种用于实现线程同步的关键字。它的主要作用是确保多个线程在访问共享资源时不会发生冲突[^3]。`synchronized` 的实现依赖于对象头中的 `Mark Word` `Monitor`。 - **对象头**:每个Java对象都有一个对象头,其中包含 `Mark Word` 类元数据地址。`Mark Word` 存储了锁的状态、线程ID等信息[^5]。 - **Monitor**:`Monitor` 是一种同步工具,它保证同一时刻只有一个线程可以进入被 `synchronized` 保护的代码块或方法。 #### 2. `synchronized` 的三种应用方式 ` synchronized` 可以应用于以下三种场景: - **修饰实例方法**:当 `synchronized` 修饰实例方法时,锁的对象是当前实例(`this`)。这意味着只有持有该实例锁的线程才能执行该方法[^1]。 - **修饰静态方法**:当 `synchronized` 修饰静态方法时,锁的对象是当前类的 `Class` 对象。所有线程在调用该静态方法时都需要获取类级别的锁[^3]。 - **修饰代码块**:通过指定一个明确的对象作为锁,`synchronized` 可以保护特定的代码块。例如: ```java synchronized (lock) { // 临界区代码 } ``` 这种方式提供了更细粒度的控制[^2]。 #### 3. 字节码指令实现 在JVM层面,`synchronized` 的实现依赖于两个字节码指令: - **`monitorenter`**:线程在进入 `synchronized` 块或方法时会执行此指令,尝试获取对象的锁。 - **`monitorexit`**:线程在退出 `synchronized` 块或方法时会执行此指令,释放对象的锁[^3]。 这两个指令的操作是原子的,确保了锁的获取释放过程的安全性。 #### 4. 锁的状态升级 ` synchronized` 的锁状态会根据竞争情况动态升级,从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁。以下是锁状态升级的过程: - **偏向锁**:当没有线程竞争时,JVM会假设锁只会被一个线程持有。此时,`Mark Word` 中存储的是偏向线程的ID,避免频繁的锁获取释放操作[^5]。 - **轻量级锁**:当有线程竞争但竞争不激烈时,JVM会使用自旋的方式尝试获取锁。这种方式避免了线程切换的开销。 - **重量级锁**:当竞争非常激烈时,JVM会将线程挂起,进入操作系统级别的等待队列。 #### 5. 示例代码解析 以下是一个典型的 `synchronized` 使用示例: ```java public class SynchronizedExample { private int count = 0; public synchronized void increment() { count++; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { SynchronizedExample example = new SynchronizedExample(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { example.increment(); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { example.increment(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("Count: " + example.count); } } ``` 在此示例中,`increment` 方法被 `synchronized` 修饰,因此两个线程在调用该方法时会互斥执行[^1]。 #### 6. 注意事项 - `synchronized` 的锁对象必须明确且一致。如果锁对象不同,可能会导致线程之间的竞争无法正确解决[^1]。 - 在高并发场景下,`synchronized` 的性能可能不如其他锁机制(如 `ReentrantLock`),因为它缺乏一些高级特性(如公平锁、条件变量等)[^4]。 --- ###
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