深入浅出谈synchronized和monitor的底层实现

揭秘 synchronized 和 monitor 的内幕

线程同步是并发编程中至关重要的概念。在 Java 中，synchronized 扮演着重要的角色，它通过一个鲜为人知的机制——monitor 来实现线程同步。本文将深入剖析 synchronized 和 monitor 的底层原理，并提供一些最佳实践建议。

synchronized 的本质

synchronized 是一个 Java 关键字，用于修饰方法或代码块。当线程执行带有 synchronized 修饰符的方法或代码块时，它将自动获取与该对象关联的 monitor。只有获取了 monitor，线程才能访问共享资源，防止数据竞争和不一致。

monitor 的作用

monitor 是一个二进制信号量，它有两个状态：0 和 1。当 monitor 为 0 时，表示没有任何线程正在访问共享资源，任何线程都可以获取它。当 monitor 为 1 时，表示有线程正在访问共享资源，其他线程必须等待。

当一个线程获取 monitor 时，它将状态设置为 1，表示它正在访问共享资源。当线程完成对数据的访问后，它会将 monitor 状态设置为 0，表示它已经释放了访问权。

monitor 如何确保线程同步

monitor 通过以下方式确保线程同步：

• 互斥性： monitor 确保一次只有一个线程可以获取它。这意味着只有单个线程可以同时访问共享资源，从而避免数据竞争。
• 可见性： monitor 确保对共享资源的修改对所有线程都是可见的。当一个线程对共享资源进行修改时，该修改会立即反映在所有获取了 monitor 的线程中。

最佳实践

在使用 synchronized 和 monitor 时，应遵循以下最佳实践：

• 避免长时间锁： 尽量避免在 synchronized 块中执行长时间的操作，因为这可能会导致其他线程长时间等待。
• 使用细粒度锁： 使用更细粒度的锁（例如字段锁或读写锁）而不是全局锁，以减少锁竞争和提高性能。
• 避免在 synchronized 块中调用同步方法： 这可能会导致死锁。
• 使用并发类： 考虑使用 Java 的并发类（例如 ReentrantLock 和 ConcurrentHashMap），它们提供更高级别的并发控制。

常见问题解答

1. synchronized 和 ReentrantLock 有什么区别？

ReentrantLock 是 Java 的一个显式锁类，它提供了与 synchronized 类似的功能。但与 synchronized 相比，ReentrantLock 提供了更多的灵活性，例如：

• 可重入性： ReentrantLock 可以被同一线程多次获取，而 synchronized 则不行。
• 等待队列： ReentrantLock 维护一个等待队列，允许线程按获取锁的顺序排队。

2. 什么是死锁？

死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行的情况。在使用 synchronized 时，应避免在 synchronized 块中调用其他同步方法，因为这可能会导致死锁。

3. 为什么在 synchronized 块中避免长时间操作？

在 synchronized 块中执行长时间操作可能会导致其他线程长时间等待。这可能会导致性能问题，尤其是当有大量线程同时争用同一资源时。

4. Java 中是否有比 synchronized 更高级别的并发控制机制？

是的，Java 中有更高级别的并发控制机制，例如：

• 并发类： ReentrantLock、ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等。
• 无锁并发数据结构： CopyOnWriteArrayList、ConcurrentSkipListMap 等。
• 原子变量： AtomicInteger、AtomicBoolean 等。

5. synchronized 是否会影响性能？

是的，synchronized 会影响性能。获取和释放 monitor 会带来开销，尤其是在争用激烈的情况下。因此，应谨慎使用 synchronized，并考虑使用更轻量级的并发控制机制。

结论

理解 synchronized 和 monitor 的底层原理对于高效地利用 Java 的并发特性至关重要。通过遵循最佳实践，您可以最大限度地减少锁争用，提高性能，并避免死锁等问题。