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：
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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。
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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）。
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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）。
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示例：线程A修改
flag=true，线程B可能仍读取到旧值flag=false。
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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。
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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。
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同步机制的核心目标
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原子性：确保操作不可分割，要么全部执行，要么不执行。
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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。
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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：
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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：
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使用原子类：单一变量的原子操作（如计数器、标志位）。
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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：
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使用读写锁：读操作频率远高于写操作（如热点数据缓存）。
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使用普通锁：读写频率接近或写操作较多。