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# Java同步阻塞怎么实现
## 1. 同步阻塞概述
在Java并发编程中，同步阻塞是指线程在访问共享资源时，通过某种机制保证同一时刻只有一个线程能够访问该资源，其他线程必须等待当前线程释放资源后才能继续执行。这种机制是多线程编程中最基础也是最重要的概念之一。
### 1.1 为什么需要同步阻塞
当多个线程同时访问共享资源时，可能会出现以下问题：
- **竞态条件（Race Condition）**：多个线程对同一数据进行操作，最终结果取决于线程执行的顺序
- **数据不一致**：由于线程执行顺序的不确定性，可能导致数据状态不一致
- **内存可见性问题**：一个线程对共享变量的修改可能对其他线程不可见
### 1.2 同步阻塞的基本原理
Java中的同步阻塞主要通过以下方式实现：
1. **内置锁（synchronized）**：最基础的同步机制
2. **显式锁（Lock接口）**：提供更灵活的锁操作
3. **条件变量（Condition）**：实现线程间的协调
4. **阻塞队列（BlockingQueue）**：线程安全的队列实现
## 2. synchronized关键字实现同步阻塞
### 2.1 同步方法
```java
public class Counter {
private int count = 0;
// 同步方法
public synchronized void increment() {
count++;
}
public synchronized int getCount() {
return count;
}
}
特点： - 锁对象是当前实例（this） - 同一时刻只有一个线程能执行该方法 - 方法执行完毕后自动释放锁
public class Counter {
private int count = 0;
private final Object lock = new Object();
public void increment() {
synchronized(lock) { // 使用特定对象作为锁
count++;
}
}
}
优势： - 可以更细粒度地控制同步范围 - 可以使用任意对象作为锁 - 减少锁的持有时间，提高性能
public class StaticCounter {
private static int count = 0;
public static synchronized void increment() {
count++;
}
}
特点： - 锁对象是类的Class对象（StaticCounter.class） - 影响所有实例的访问
Java 5引入了java.util.concurrent.locks包，提供了更灵活的锁机制。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class CounterWithLock {
private int count = 0;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public void increment() {
lock.lock(); // 获取锁
try {
count++;
} finally {
lock.unlock(); // 确保锁被释放
}
}
}
优势： - 可中断的锁获取 - 超时获取锁 - 公平锁与非公平锁选择 - 可以绑定多个条件
public class ReentrantExample {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public void outer() {
lock.lock();
try {
inner();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void inner() {
lock.lock();
try {
// 操作共享资源
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
特点： - 同一个线程可以重复获取已持有的锁 - 锁的获取次数必须与释放次数匹配
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReadWriteCache {
private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
private Map<String, Object> cache = new HashMap<>();
public Object get(String key) {
rwLock.readLock().lock();
try {
return cache.get(key);
} finally {
rwLock.readLock().unlock();
}
}
public void put(String key, Object value) {
rwLock.writeLock().lock();
try {
cache.put(key, value);
} finally {
rwLock.writeLock().unlock();
}
}
}
优势： - 读操作可以并发执行 - 写操作互斥 - 适合读多写少的场景
public class BoundedBuffer {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = lock.newCondition();
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
private final Object[] items = new Object[100];
private int putPtr, takePtr, count;
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await(); // 等待缓冲区不满
items[putPtr] = x;
if (++putPtr == items.length) putPtr = 0;
++count;
notEmpty.signal(); // 通知缓冲区非空
} finally {
lock.unlock();
}
}
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await(); // 等待缓冲区非空
Object x = items[takePtr];
if (++takePtr == items.length) takePtr = 0;
--count;
notFull.signal(); // 通知缓冲区不满
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
Java并发包提供了多种阻塞队列实现：
| 实现类 | 特点 |
|---|---|
| ArrayBlockingQueue | 有界数组实现 |
| LinkedBlockingQueue | 可选有界链表实现 |
| PriorityBlockingQueue | 无界优先级队列 |
| SynchronousQueue | 不存储元素的队列 |
| DelayQueue | 延迟元素的无界队列 |
BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
// 生产者线程
queue.put("item"); // 阻塞直到队列有空位
// 消费者线程
String item = queue.take(); // 阻塞直到队列有元素
| 同步方式 | 适用场景 | 性能特点 |
|---|---|---|
| synchronized | 低竞争场景 | JVM优化好 |
| ReentrantLock | 高竞争场景 | 可提供更好的吞吐量 |
| ReadWriteLock | 读多写少 | 读操作完全并发 |
| 无锁算法 | 简单操作 | 最高性能 |
同步操作建立的happens-before关系保证了内存可见性： - 解锁操作happens-before后续的加锁操作 - volatile变量的写happens-before后续的读 - 线程启动happens-before该线程的任何操作 - 线程终止happens-before检测到该线程已终止的所有操作
public class VolatileExample {
private volatile boolean flag = false;
public void toggle() {
flag = !flag;
}
public boolean isFlag() {
return flag;
}
}
特点： - 保证变量的可见性 - 禁止指令重排序 - 不保证原子性
public class Point {
private double x, y;
private final StampedLock sl = new StampedLock();
// 乐观读
public double distanceFromOrigin() {
long stamp = sl.tryOptimisticRead();
double currentX = x, currentY = y;
if (!sl.validate(stamp)) {
stamp = sl.readLock();
try {
currentX = x;
currentY = y;
} finally {
sl.unlockRead(stamp);
}
}
return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
}
}
优势： - 乐观读锁不阻塞写锁 - 比ReadWriteLock更高的吞吐量
CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 异步任务
return doSomeComputation();
}).thenApply(result -> {
// 处理结果
return processResult(result);
}).exceptionally(ex -> {
// 异常处理
return handleException(ex);
});
Java提供了多种同步阻塞机制，从基础的synchronized到高级的并发工具，开发者可以根据具体场景选择最合适的方案：
理解各种同步机制的原理和适用场景，是编写正确、高效并发程序的关键。在实际开发中，应当优先考虑使用java.util.concurrent包提供的高级工具，它们经过了充分测试和优化，能有效减少错误并提高性能。 “`
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