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Java线程同步技术详解

Java作为一款非常流行的程序语言，其线程同步机制至关重要。在多线程环境下，确保数据的安全性和可靠性是开发人员需要面对的最大挑战。以下是Java线程同步技术的全面解析，涵盖了Volatile、CAS、Synchronized、Lock等核心概念。

1. Volatile

Volatile是Java中用来解决多线程程序中可见性和有序性问题的关键字。其主要作用包括：

• 保证可见性：Volatile变量的值可以立即被所有线程读取。一旦某个线程修改了Volatile变量的值，其它线程就能立即获取最新值。
• 保证有序性：Volatile变量禁止指令优化，确保了线程内的操作在原样执行。常用于标记状态或双重检测机制。

Volatile实现原理

Volatile不能确保原子性，仅适用于状态标记和双重检测，需谨慎使用。

2. CAS（比较与交换）

CAS是一种乐观锁机制，基于乐观的假设，即通常情况下事务不会冲突。它通过以下步骤实现原子性操作：

JUC框架下AtomicInteger的实现

• get()：返回当前值。
• set()：直接修改值。
• compareAndSet(int expect, int update)：基于CAS实现原子更新。

CAS的缺点

3. Synchronized

Synchronized是Java中的控制同步关键字，提供互斥锁机制。其特点：

• 锁机制：基于内存中的monitor对象，维护具有等待队列和退出拦截队列。
• 可重入性：允许同一线程多次获取同一锁，但需确保各次持有锁期间操作的一致性。

Synchronized的实现原理

Synchronized的加锁和解锁基于monitor的号召：在获取锁时增加计数器，在释放时减少计数器，实现互斥。优化包括自旋锁和锁消除等技术，提升性能。

4. Lock（Java 5新增的Lock接口）

Lock类提供了更灵活的锁机制，相较于synchronized具有以下优势：

• 可选释放：需手动释放锁，防止死锁。
• 可中断：支持用户中断等待锁的线程。
• 控制可重入：配合ReentrantLock实现可重入锁。

4.1 ReentrantLock（可重入锁）

ReentrantLock基于AbstractQueuedSynchronizer实现，可支持多级递归获取锁。其公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync）实现了不同的锁获取策略。

4.2 ReadWriteLock

ReadWriteLock允许多个线程共享读锁，但需独占写锁。其实现类ReentrantReadWriteLock支持多级锁获取，提升读操作的并发度。

5. ThreadLocal

ThreadLocal用于线程本地存储，在多线程环境下确保数据隔离。其基本用法：

public class ThreadLocalDemo {    private static ThreadLocal
   
     threadLocal = new ThreadLocal<>();    public static void main(String[] args) {        Runnable task = () -> {            try {                for(int i=0; i<10; i++) {                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocal.get());                    threadLocal.set("Hello, " + i);                }            } catch(InvalidStateException e) {                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 无法设置ThreadLocal值");            }        };        for(int i=0; i<10; i++) {            String threadName = "Thread-" + i;            Thread t = new Thread(task, threadName);            t.start();        }        try {            Thread.sleep(100);            System.out.println("主线程结束");        } catch(InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}
   

每个线程具有独立的ThreadLocal值，防止线程间数据干扰，常用于缓存和持久化存储。