【Java并发控制指南】：同步与并发修饰符的正确使用

# 1. Java并发基础与并发问题概述

## 1.1 并发编程的定义
在计算机科学中，并发编程是实现多任务同时进行的一种编程范式。在Java中，它允许开发人员编写能够同时处理多个操作的程序。随着多核处理器的普及，合理利用并发技术可以显著提升程序的性能和响应速度。

## 1.2 Java中的并发基础
Java提供了一整套并发工具和API，例如线程Thread、执行器Executor、锁Lock以及并发集合。这些工具帮助开发者管理线程，实现高效的数据共享和操作。

## 1.3 并发问题的类型
并发编程虽然强大，但也存在诸多问题。典型的并发问题包括竞态条件、死锁、资源饥饿和活锁等。为了编写出健壮的并发程序，开发者必须理解和掌握解决这些问题的方法和策略。

## 1.4 章节总结
本章概述了并发编程的基础知识和常见的并发问题类型，为后续章节深入探讨Java中的同步机制、并发集合和线程池等高级特性打下了基础。理解并发的基础概念对于构建可伸缩和可靠的Java应用程序至关重要。

# 2. Java中的同步机制

## 2.1 同步方法与同步块

同步机制是Java多线程编程中保证线程安全的重要手段。Java语言提供了多种同步机制，其中最基础的是同步方法和同步块。

### 2.1.1 同步方法的使用与原理

同步方法通过关键字`synchronized`修饰方法来实现，确保同一时刻只有一个线程可以执行该方法。这是在方法级别上实现的简单同步机制，但并不适用于更细粒度的同步需求。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 业务逻辑代码
}

在上述代码中，方法`synchronizedMethod()`被`synchronized`修饰，任何时刻都只有一个线程可以执行这个方法。当一个线程正在执行该方法时，其他试图调用该方法的线程将会被阻塞。

同步方法的原理是通过线程获取对象的锁来实现的。每个对象都有一个与之关联的锁（monitor），当一个线程进入一个同步方法时，它首先尝试获取对象的锁，如果成功，它就拥有这个锁；如果有其他线程正在执行该对象的同步方法，这个线程就会被阻塞，直到锁被释放。

### 2.1.2 同步块的灵活运用

同步块提供了更细粒度的同步控制，通过`synchronized`关键字配合括号中的对象来实现。相比同步方法，同步块的灵活性更高，可以只对需要同步的代码块进行加锁。

public void synchronizedBlock() {
    Object lock = new Object();
    synchronized(lock) {
        // 业务逻辑代码，需要同步的部分
    }
}

在上述代码中，同步块的括号内指定了一个`lock`对象，所有请求该对象锁的线程将被阻塞，直到持有锁的线程释放该锁。

同步块可以减少不必要的锁竞争，因为可以使用任意对象作为锁对象，甚至可以创建一个专用的锁对象用于同步特定的代码块，而不影响其他不需要同步的代码执行。

## 2.2 显式锁的高级特性

在Java 5及以上版本中，Java引入了`java.util.concurrent.locks`包，提供了比内置同步方法更高级的锁机制。显式锁（Explicit Locks）的代表就是`ReentrantLock`，它提供了更多的功能和更好的性能。

### 2.2.1 ReentrantLock的使用案例

`ReentrantLock`是可重入的互斥锁。它的使用方式与同步方法和同步块类似，但它提供了更灵活的加锁与解锁操作，以及尝试锁定的非阻塞方法和带超时的锁定。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void performTask() {
        lock.lock();
        try {
            // 业务逻辑代码，需要同步的部分
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在这个示例中，`ReentrantLock`被创建并用来保护一个临界区。`lock()`方法用来获取锁，`unlock()`方法在`finally`块中用来释放锁，确保无论业务逻辑是否正常完成，锁都会被释放。

### 2.2.2 锁优化与性能考量

使用`ReentrantLock`可以提供比内置锁更高的性能，尤其是在锁竞争激烈的场景下。这是因为`ReentrantLock`提供了诸如公平锁、尝试获取锁失败后立即返回等高级特性，这些特性可以在需要时避免线程的无谓等待。

公平锁确保了锁的获取顺序与请求锁的顺序相同，这在某些情况下可以减少饥饿现象，但可能带来更高的性能开销。而尝试获取锁失败后，线程可以立即获得一个失败的反馈，从而可以执行其他的逻辑而不是阻塞等待，这有助于提高系统整体的吞吐量。

## 2.3 线程协作工具类

Java并发库提供了多种线程协作工具类，它们用于实现线程间的协调和通信，最常用的包括`Condition`接口和`CountDownLatch`以及`CyclicBarrier`。

### 2.3.1 Condition接口的深入理解

`Condition`接口是Java并发工具中的一个先进特性，它允许线程在某个条件不满足时挂起，直到其他线程改变了条件并通知它。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private boolean isReady = false;

    public void awaitSignal() {
        lock.lock();
        try {
            while (!isReady) {
                condition.await();
            }
            // 当isReady为true时执行的代码
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void signal() {
        lock.lock();
        try {
            isReady = true;
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上面的代码中，`awaitSignal()`方法会阻塞等待直到`signal()`方法被调用，并且`isReady`变量被设置为`true`。`await()`方法使得当前线程在条件不满足时挂起，而`signalAll()`方法会唤醒所有等待此条件的线程。

### 2.3.2 使用CountDownLatch和CyclicBarrier

`CountDownLatch`和`CyclicBarrier`提供了不同的线程协作方式。`CountDownLatch`允许一个或多个线程等待直到在其他线程中执行的一组操作全部完成。而`CyclicBarrier`则用于让一组线程相互等待达到一个共同的屏障点。

#### CountDownLatch

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchExample {
    private CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

    public void startTask() {
        new Thread(() -> {
            // 执行一些任务
            latch.countDown();
        }).start();
    }

    public void await() {
        try {
            latch.await();
            // 所有线程任务执行完毕后的逻辑代码
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在这个例子中，`CountDownLatch`初始化为3，表示需要等待三个任务完成。`startTask()`方法