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如何设计简易版Synchronized：实现锁的机制与优化策略

news 2024/10/21 19:32:09

1. 简易版`Synchronized`的核心设计思路

synchronized是Java内置的同步机制，它的核心是通过锁来实现对共享资源的互斥访问。在Java中，锁有不同的优化机制（如锁的偏向锁、轻量级锁、重量级锁），从低开销到高开销逐步升级。简易版的synchronized可以通过以下几个核心模块来设计：

基本锁机制：实现基础的互斥锁，保证同一时间只有一个线程能够访问某个资源。
锁升级：通过不同级别的锁机制，保证在不同的并发场景下锁的开销最小化。
锁优化：避免不必要的锁竞争和降低锁的开销，提升性能。

2. 基本锁的设计

为了模拟简易版的synchronized，我们可以设计一个自定义的锁。最基础的锁是一个互斥锁，保证只有一个线程可以访问共享资源。

public class SimpleLock {private boolean isLocked = false;// 获取锁public synchronized void lock() throws InterruptedException {while (isLocked) {wait(); // 如果锁已被占用，线程进入等待}isLocked = true; // 锁被获取}// 释放锁public synchronized void unlock() {isLocked = false;notify(); // 通知等待的线程，锁已释放}
}

代码解释：

lock()：如果锁已经被其他线程占用，当前线程会进入wait()状态，直到锁被释放。
unlock()：当锁被释放后，调用notify()，让等待的线程重新尝试获取锁。

3. 锁升级机制设计

Java的锁机制分为不同的级别，目的是根据线程竞争的激烈程度选择不同的锁类型。我们可以设计一个简易的锁升级机制，通过监控线程竞争的情况进行升级。通常的锁升级包括：

偏向锁：当一个线程独占锁时，不进行太多额外操作，直接偏向该线程。
轻量级锁：当只有少量的线程竞争锁时，通过自旋等待而不是阻塞，提高性能。
重量级锁：当竞争激烈时，进入操作系统的阻塞和唤醒机制。

为了模拟锁升级，我们可以引入线程竞争计数器，根据竞争程度进行升级。

public class UpgradableLock {private Thread lockingThread = null; // 持有锁的线程private int lockCount = 0;           // 锁的重入次数private int contentionCount = 0;     // 竞争次数private static final int UPGRADE_THRESHOLD = 10; // 锁升级的阈值// 获取锁public synchronized void lock() throws InterruptedException {Thread currentThread = Thread.currentThread();// 偏向锁：没有竞争的情况下，偏向于第一个获取锁的线程if (lockingThread == null) {lockingThread = currentThread;lockCount++;return;}// 重入锁：允许同一个线程多次获取锁if (lockingThread == currentThread) {lockCount++;return;}// 锁竞争：有其他线程争夺锁，计数竞争次数contentionCount++;// 锁升级：如果竞争次数超过阈值，升级为重量级锁if (contentionCount >= UPGRADE_THRESHOLD) {heavyweightLock();return;}// 自旋等待：轻量级锁，通过自旋等待while (lockingThread != null) {// 自旋操作，不阻塞，尝试获取锁}// 成功获取锁lockingThread = currentThread;lockCount++;}// 释放锁public synchronized void unlock() {if (Thread.currentThread() == lockingThread) {lockCount--;if (lockCount == 0) {lockingThread = null;notifyAll();}}}// 重量级锁private synchronized void heavyweightLock() throws InterruptedException {while (lockingThread != null) {wait(); // 进入阻塞等待}lockingThread = Thread.currentThread();lockCount++;}
}