共享资源的同步访问

在并发编程中，多个线程可能同时访问和修改共享的资源，这时需要确保对共享资源的访问是线程安全的，避免出现竞态条件和数据破坏的情况。本文将详细介绍共享资源的同步访问问题，以及Java中提供的同步机制和技术。

线程安全性概述

线程安全性是指多个线程同时访问共享资源时，不会出现意外的结果或导致数据破坏的情况。保证线程安全性可以避免竞态条件、数据不一致和其他并发问题。

要保证线程安全性，需要满足以下条件：

  1. 原子性（Atomicity）：操作对共享资源的访问必须是原子的，即不可中断的单个操作。确保一个线程在执行完整的操作之前，其他线程不会对该资源进行访问。

  2. 可见性（Visibility）：对共享资源的修改必须对其他线程可见。当一个线程对共享资源进行修改后，其他线程应该能够立即看到这个修改。

  3. 有序性（Ordering）：线程之间的操作执行顺序必须符合预期。如果一个线程的操作依赖于另一个线程的操作结果，那么应该确保这些操作之间的顺序性。

synchronized关键字

Java提供了synchronized关键字来实现共享资源的同步访问。通过使用synchronized关键字，可以将代码块或方法标记为同步代码，只允许一个线程在同一时间访问被标记的代码块或方法。

同步代码块

使用synchronized关键字来标记代码块，实现对共享资源的同步访问：

synchronized (sharedObject) {
    // 访问和修改共享资源的代码
}

在上述代码中，sharedObject是共享资源的对象。当一个线程进入同步代码块时，它会获取sharedObject的锁，其他线程将被阻塞，直到当前线程执行完毕释放锁。

同步方法

可以将方法声明为synchronized，以实现对整个方法的同步访问：

public synchronized void sharedMethod() {
    // 访问和修改共享资源的代码
}

在上述代码中，sharedMethod()方法是同步方法，只允许一个线程在同一时间调用该方法。同步方法的锁是方法所属对象的实例。

对象锁和类锁

在synchronized关键字中，锁可以是对象级别的锁，也可以是类级别的锁。

  • 对象锁：使用synchronized关键字来标记代码块或方法时，锁是被标记对象的实例。每个对象实例都有自己的锁。

  • 类锁：可以使用synchronized关键字来标记静态方法或使用synchronized关键字锁住类的Class对象。类锁是所有对象实例共享的锁。

volatile关键字

除了synchronized关键字，Java还提供了volatile关键字来实现对共享资源的同步访问。volatile关键字用于标记变量，确保对该变量的读写操作具有可见性。

private volatile int sharedVariable;

使用volatile关键字声明的变量在多线程环境下，当一个线程对该变量进行修改时，会立即将修改后的值刷新到主内存，并通知其他线程读取最新的值。

但需要注意，volatile关键字只能保证可见性，不能保证原子性。如果对共享资源的操作需要保证原子性，仍需要使用synchronized关键字或其他同步机制。

原子类与原子操作

Java提供了一些原子类，用于实现对共享资源的原子操作。这些原子类提供了基于硬件级别的原子操作，可以保证对共享资源的操作是线程安全的。

常用的原子类包括AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等。这些类提供了一些原子操作方法，如get()、set()、compareAndSet()等。

private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
​
public void increment() {
    counter.incrementAndGet();
}

原子类可以替代传统的加锁机制，提供了更高效和更简洁的方式来实现线程安全的共享资源访问。

锁与条件变量

除了synchronized关键字，Java还提供了Lock接口及其实现类来实现对共享资源的同步访问。Lock接口提供了更灵活的锁机制，可以实现更复杂的同步操作。

Lock接口提供了lock()和unlock()方法，用于手动获取和释放锁。相比synchronized关键字，Lock接口允许更细粒度的锁控制。

除了锁，Java还提供了Condition接口及其实现类来实现条件变量。条件变量可以让线程在满足特定条件时等待，直到其他线程通知条件满足。

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
​
lock.lock();
try {
    while (!conditionMet()) {
        condition.await();
    }
    // 执行逻辑
} finally {
    lock.unlock();
}

通过使用锁和条件变量，可以更精确地控制线程的等待和唤醒，实现更复杂的线程同步和通信。