Java并发控制揭秘：synchronized关键字与内存模型的关系

# 1. Java并发控制基础

## 1.1 并发与多线程的概念
并发编程是计算机编程领域中一个重要的分支，它允许程序同时执行两个或更多的部分，以提高程序运行效率和响应速度。在Java语言中，多线程是实现并发的一种主要方式，它允许程序中存在多个执行流同时进行。

## 1.2 线程的创建与启动
在Java中，创建线程通常有两种方法：继承Thread类或实现Runnable接口。启动线程需要调用start()方法，该方法会通知Java虚拟机创建新的线程执行run()方法中的代码。

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 线程要执行的代码
    }
}

// 启动线程的代码
MyThread t = new MyThread();
t.start();

## 1.3 线程的同步与锁
为了确保多线程环境下数据的一致性和线程安全，需要使用同步机制来控制线程对共享资源的访问。Java提供了synchronized关键字和ReentrantLock类来实现线程同步。同步机制可以防止多个线程同时执行被保护的代码块，保证了操作的原子性。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 线程安全的方法
}

通过这一章节，我们打下了并发控制的基础，为后续深入探讨synchronized关键字以及Java内存模型等高级概念奠定了理论基础。接下来的章节将逐步深入，细化讲解Java并发控制的机制和实践应用。

# 2. 深入理解synchronized关键字

### 2.1 synchronized的锁机制

#### 2.1.1 内置锁的概念和特性

在Java中，synchronized关键字是实现线程同步的核心手段之一。它利用了内置锁（也称为监视器锁或隐式锁）来控制对共享资源的访问。每个对象都可以成为一个锁，这个锁是一个互斥锁，也就是一次只允许一个线程拥有这个锁。因此，当我们提到一个对象的“内置锁”时，是指与该对象关联的锁。

内置锁具备以下特性：

- **原子性**：锁的获取和释放是原子操作。当一个线程获取锁时，其他线程都不能再获取同一把锁，直到锁被释放。
- **排他性**：同一时刻只有一个线程可以执行临界区代码，保证了数据操作的原子性和顺序性。
- **可见性**：当一个线程释放锁时，它所做的任何更改对随后获取到同一锁的任何线程都是可见的。

内置锁的工作原理涉及到JVM的锁优化技术，如偏向锁、轻量级锁等，这些优化技术能够在不同的竞争条件下减少锁的开销。

#### 2.1.2 锁的获取与释放过程

锁的获取与释放过程是理解synchronized关键字行为的关键。锁的获取通常发生在一个线程执行到synchronized代码块或方法时。以下是锁的获取过程的简要说明：

1. 线程尝试获取对象的内置锁。
2. 如果锁是可用的（即没有其他线程持有锁），那么线程获得锁，进入同步区域。
3. 如果锁已经被其他线程占用，线程将进入阻塞状态，直到锁被释放。

锁的释放通常发生在执行完synchronized代码块或方法时。以下是锁的释放过程的简要说明：

1. 线程完成临界区代码的执行。
2. 线程自动释放它持有的内置锁。
3. 其他等待该锁的线程将被唤醒，其中一个获得锁。

锁的获取和释放过程保证了同步代码块或方法内部的线程安全性。

### 2.2 synchronized的应用场景

#### 2.2.1 同步代码块的使用

同步代码块是使用synchronized关键字的最直接方式，它允许指定一个具体的对象作为锁来控制访问特定的代码块。下面是一个同步代码块的示例：

Object lock = new Object();
public void synchronizedMethod() {
    synchronized (lock) {
        // 访问和修改共享资源
    }
}

在同步代码块中，任何线程在进入该代码块之前必须先获得`lock`对象的锁。如果锁被其他线程持有，请求锁的线程将进入等待状态，直到锁被释放。

同步代码块是实现资源保护的灵活方式，因为它允许对代码块进行细粒度的锁定。

#### 2.2.2 同步方法的实现与原理

同步方法是一种更简单的方式，通过在方法声明中加入synchronized关键字来声明。这意味着方法的调用必须获得当前对象的内置锁。

下面是一个同步方法的示例：

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 访问和修改共享资源
}

当一个线程执行此同步方法时，它会自动获取当前对象的内置锁，并在方法执行完毕后自动释放锁。如果其他线程尝试执行这个同步方法，它们必须等待当前线程完成并释放锁。

同步方法是实现线程安全的便捷方法，特别是在方法中只有一小段代码需要同步时。然而，它也锁定了整个方法，可能不如同步代码块那样灵活。

### 2.3 synchronized的优化机制

#### 2.3.1 锁粗化与锁消除策略

锁粗化是一种JVM优化技术，它会将连续的多个同步代码块合并为一个较大的同步代码块，以减少锁的开销。例如：

synchronized(obj) {
    // 临界区1
}
synchronized(obj) {
    // 临界区2
}
// 优化后
synchronized(obj) {
    // 临界区1
    // 临界区2
}

锁消除是基于逃逸分析的一种优化技术。如果JVM确定一段代码中的锁在运行时不会被其他线程持有，则可以将其锁消除，提高性能。

#### 2.3.2 偏向锁与轻量级锁的比较

偏向锁是一种减少锁竞争带来的性能消耗的机制。当一个线程首次获取锁时，它将锁标记为偏向于当前线程，如果后续该锁还是由这个线程获取，则减少锁的开销。

轻量级锁是在没有多线程竞争的情况下，减少传统重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能开销。

在JVM中，锁的优化是动态的，会根据竞争情况在偏向锁、轻量级锁和重量级锁之间进行切换。这样，JVM能够在多线程环境下，提供更合适的同步机制。

通过深入理解synchronized的锁机制，我们可以更好地利用这个工具来编写高效的并发程序。这不仅包括了解锁的获取与释放，还包括了如何优化锁的使用，从而达到提升性能的目的。在下一章节中，我们将探讨Java内存模型的基本概念，进一步揭示并发编程背后的工作原理。

# 3. Java内存模型探究

## 3.1 内存模型的基本概念

### 3.1.1 主内存与工作内存的交互

在Java虚拟机（JVM）中，多线程共享的内存区域被称为主内存，每个线程也有自己的工作内存，用于存放主内存中的变量的副本。这些工作内存可以视作CPU的高速缓存，是线程私有的，用于减少对主内存的频繁访问。

主内存与工作内存之间的交互涉及多个动作，包括：读取（read）、加载（load）、使用（use）、赋值（assign）、存储（store）、写入（write）和锁（unlock）以及锁定（lock）操作。以变量 `int x` 的读取为例，其过程是：

1. 线程执行 `load x` 操作，将主内存中的变量 `x` 加载到工作内存。
2. 执行 `use x` 操作，利用工作内存中的变量 `x` 进行计算等操作。
3. 完成操作后，执行 `assign x` 将结果赋值回工作内存。
4. 最后执行 `store x` 将工作内存中的变量 `x` 写回主内存。
5. 通过 `write x` 操作，确保主内存的变量 `x` 为最新值。

### 3.1.2 可见性、原子性和有序性问题

Java内存模型规定了主内存与工作内存的交互操作，但没有强制规定操作的执行顺序，这导致了一系列并发问题的出现，主要包括：

- **可见性问题**：由于线程对变量的修改可能不会立即反映到主内存中，因此一个线程对共享变量的修改可能对其他线程不可见。
- **原子性问题**：多线程环境下，基本数据类型的读取和写入是原子操作，但对于非原子操作（如自增`i++`），可能被多个线程同时操作，导致结果错误。
- **有序性问题**：指令重排序可能导致代码在多线程执行时出现意料之外的结果。

理解并解决这些问题对于编写正确的并发程序至关重要。

## 3.2 Java内存模型的规则

### 3.2.1 happen-before规则的理解

为了确保多线程程序的有序性和正确性，Java内存模型定义了一组"先行发生"（happen-before）规则，它是一个前导条件，指明了一种指令操作A必须在另一个指令操作B之前执行的关系。常见的规则包括：

- 程序顺序规则：一个线程内的每个操作必须按照代码的顺序执行。
- 锁规则：解锁操作必须在紧接着的后续加锁操作之前。
- volatile变量规则：对volatile变量的写操作必须在后续的读操作之前。
- 传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，则操作A先行发生于操作C。

遵循这些规则可以避免出现并发编程中的可见性和有序性问题。

### 3.2.2 内存屏障的应用

内存屏障（Memory Barrier）是并发编程中的低级原语，用以保证特定操作的执行顺序。内存屏障可以防止指令重排序，确保内存操作的顺序性。它主要分为四种：

- Load Barrier（读屏障）
- Store Barrier（写屏障）
- Full Barrier（全屏障，同时具备读和写屏障的功能）
- Multi-Barriers（多屏障，组合了多种屏障的功能）

在JVM实现中，内存屏障可以由特定的指令提供，如x86架构的`mfence`、`lfence`和`sfence`指令。例如，编译器或者处理器在遇到写屏障指令时，会确保在写屏障之前的所有内存写操作对屏障之后的读写操作可见。

## 3.3 内存模型与并发控制的关联

### 3.3.1 volatile关键字的作用与限制

`volatile` 关键字是Java提供的一种轻量级的同步机制。它可以保证变量对所有线程的可见性，即当一个线程修改了一个被`volatile`修饰的变量的值，新值对于其他线程是立即可见的。这是通过内存屏障实现的。

然而，volatile变量并不提供原子性保证。对于非原子操作，如`volatile int i; i++`，仍然可能出现并发问题。因此，在使用volatile变量时，必须清楚理解它所保证的可见性