学习笔记10——并发编程2线程安全问题与同步机制

线程安全问题与同步机制

 线程安全的本质问题

线程安全问题源于多线程环境下对共享资源（数据或状态）的非原子性、非可见性、非有序性访问，导致程序行为不符合预期。

主要表现如下：

• 竞态条件（Race Condition）：多个线程对同一资源进行非原子操作，导致结果依赖线程执行顺序。

  • 示例：两个线程同时执行 count++（非原子操作，实际包含读-改-写三步）。

• 内存可见性问题：线程修改共享变量后，其他线程无法立即看到最新值（CPU缓存与主存不一致）。

  • 示例：线程A修改 flag=true，线程B可能仍读取到旧值 flag=false。

• 指令重排序：编译器或处理器优化可能导致代码执行顺序与源码不一致，破坏预期逻辑。

  • 示例：单例模式的双重检查锁定中，未使用 volatile 可能导致对象未初始化完成就被使用。

 同步机制的核心目标

• 原子性：确保操作不可分割，要么全部执行，要么不执行。

• 可见性：一个线程修改共享变量后，其他线程能立即感知变化。

• 有序性：禁止编译器和处理器对代码顺序进行破坏逻辑的优化。

线程的互斥同步方式有哪些? 如何比较和选择?

互斥同步的主要方式

机制	实现原理	特点	适用场景
1. synchronized	基于 JVM 的 Monitor 锁，通过对象头实现锁状态管理	- 自动加锁/解锁 - 支持锁升级（偏向锁→轻量级锁→重量级锁） - 非公平锁	简单的代码块或方法同步，低竞争场景
2. ReentrantLock	基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现	- 支持公平锁与非公平锁 - 可中断、可超时 - 支持多条件变量（Condition）	需要灵活控制的复杂同步场景
3. 原子类	基于 CAS（Compare-And-Swap）无锁算法	- 无阻塞、高并发性能 - 仅适用于单一变量操作	高并发计数、状态标记等简单原子操作
4. 读写锁（ReentrantReadWriteLock）	分离读锁（共享）和写锁（独占）	- 读操作并发度高 - 写操作互斥	读多写少场景（如缓存）

synchronized vs ReentrantLock

维度	synchronized	ReentrantLock
锁获取方式	自动获取/释放，无需手动管理	需手动 lock() 和 unlock()
公平性	仅支持非公平锁	支持公平锁与非公平锁
功能扩展	不支持超时、中断	支持 tryLock(timeout)、lockInterruptibly()
性能	JVM 优化成熟，低竞争下性能优	高竞争下更灵活，但代码复杂度高
适用场景	简单同步需求（如方法同步）	需要精细控制的场景（如死锁恢复、条件等待）

选择建议：

• 优先使用 synchronized：代码简洁，JVM 自动优化锁升级，适合大多数低竞争场景。

• 选择 ReentrantLock：需要公平锁、可中断锁或复杂条件等待时（如生产者-消费者模型）。

原子类 vs 锁机制

维度	原子类（CAS）	锁机制（synchronized/ReentrantLock）
并发性能	无锁，高吞吐量（适合高频短操作）	有锁，线程阻塞可能引发上下文切换开销
适用操作	单一变量的原子操作（如 i++）	复杂逻辑或跨多个变量的操作
竞争处理	自旋重试（可能浪费 CPU）	线程阻塞（节省 CPU，但增加延迟）
内存语义	仅保证变量操作的原子性和可见性	保证临界区内的原子性、可见性和有序性

选择建议：

• 使用原子类：单一变量的原子操作（如计数器、标志位）。

• 使用锁机制：涉及多个共享变量或复杂逻辑的同步。

读写锁 vs 普通互斥锁

维度	读写锁（ReentrantReadWriteLock）	普通互斥锁（synchronized/ReentrantLock）
并发度	读操作可并发，写操作互斥	所有操作互斥
适用场景	读多写少（如缓存、配置管理）	读写均衡或写多读少
实现复杂度	需区分读/写锁	简单，统一加锁

选择建议：

• 使用读写锁：读操作频率远高于写操作（如热点数据缓存）。

• 使用普通锁：读写频率接近或写操作较多。