Java并发编程：深入理解Intrinsic Lock机制

Java并发编程：深入理解Intrinsic Lock机制

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什么是Intrinsic Lock？

Intrinsic Lock（内部锁/监视器锁）是Java中每个对象都具备的一种基本同步机制。这种锁机制是Java语言内置的，不需要开发者显式创建，因此被称为"内部锁"。在并发编程中，Intrinsic Lock是实现线程安全的重要工具。

Synchronized关键字与Intrinsic Lock的关系

synchronized关键字就是利用Intrinsic Lock来实现线程同步的。当一个线程进入synchronized代码块时，它会自动获取对象的Intrinsic Lock；当线程退出synchronized代码块时，无论是正常退出还是异常退出，锁都会被自动释放。

非线程安全的计数器示例

public class Counter {
    private int count;
    
    public int increase() {
        return ++count;  // 非线程安全操作
    }
}

这个简单的计数器在多线程环境下会出现问题，因为++count操作实际上包含三个步骤：

1. 读取count当前值
2. 修改count值
3. 将新值写回count

在多线程环境下，这些步骤可能会被其他线程打断，导致数据不一致。

使用synchronized实现线程安全

public class Counter {
    private Object lock = new Object(); // 任何对象都可以作为锁
    private int count;
    
    public int increase() {
        synchronized(lock) {  // 使用lock对象作为锁
            return ++count;
        }
    }
}

synchronized块有三种常见使用方式：

1. 使用任意对象作为锁（如上例）
2. 使用当前对象作为锁（synchronized(this) {...}）
3. 将synchronized作为方法修饰符（public synchronized int increase()）

可重入性(Reentrancy)

Java的Intrinsic Lock是可重入的，这意味着一个线程可以重复获取它已经持有的锁。这种特性避免了线程因为等待自己已经持有的锁而导致的死锁。

public class Reentrancy {
    public synchronized void a() {
        System.out.println("a");
        b();  // 可以调用另一个同步方法
    }
    
    public synchronized void b() {
        System.out.println("b");
    }
}

在这个例子中，当线程调用a()方法时获取了对象锁，然后在a()方法内部调用b()方法时，不需要再次获取锁（因为线程已经持有该锁），这就是可重入性的体现。

结构化锁(Structured Lock) vs 可重入锁(Reentrant Lock)

结构化锁

结构化锁是使用synchronized关键字实现的锁机制，它的特点是：

• 锁的获取和释放与代码块结构严格绑定
• 进入synchronized块时获取锁，退出时释放锁
• 锁的获取和释放顺序必须严格嵌套

例如：

synchronized(lockA) {
    synchronized(lockB) {
        // 代码
    }  // 先释放lockB
}  // 后释放lockA

可重入锁(ReentrantLock)

与结构化锁不同，ReentrantLock提供了更灵活的锁机制：

• 可以手动控制锁的获取和释放
• 支持尝试获取锁、定时获取锁等高级功能
• 锁的获取和释放顺序可以更灵活

可见性(Visibility)问题

在多线程环境中，可见性是指一个线程对共享变量的修改能够及时被其他线程看到。Intrinsic Lock不仅提供互斥访问，还保证了可见性。

可见性问题主要由两个原因引起：

1. 编译器和CPU的指令重排序优化
2. CPU核心缓存与主内存不一致

Java内存模型(JMM)通过happens-before规则保证synchronized块的可见性：在释放锁之前的所有写操作对后续获取该锁的线程都是可见的。

最佳实践

1. 锁对象选择：尽量使用私有final对象作为锁，避免使用可能被外部访问的对象
2. 同步范围：同步块应尽可能小，只包含必要的代码
3. 避免嵌套：尽量避免嵌套的synchronized块，以防死锁
4. 考虑替代方案：对于复杂场景，考虑使用java.util.concurrent包中的高级并发工具

理解Intrinsic Lock机制是掌握Java并发编程的基础，合理使用这些机制可以构建出高效、线程安全的应用程序。

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