Синхронизация в Java. Ключевое слово Synchronized. Мьютекс и монитор

Синхронизация

Синхронизация в Java — это процесс, который позволяет только одному потоку в определённый момент времени полностью выполнить заданную задачу. 

Синхронизация помогает предотвратить одновременный доступ к общим ресурсам от разных потоков и обеспечить целостность данных

Синхронизация метода

Чтобы синхронизировать метод в Java, нужно дописать «synchronized» перед названием метода. 

Если в сигнатуре метода в Java указано ключевое слово synchronized, то метод использует встроенную блокировку. 

При этом синхронизируется весь метод или класс. 

Java-код

public synchronized void myMethod() { 
    System.out.println("Hi I'm synchronized method!");
}

Java-код

Синхорнизация всего метода
    public synchronized void method (int index, String string) {
    }
Равносильна записи
    public void method (int index, String string) {
        synchronized(this) {
        }
    }

Синхронизация блока кода

При создании синхронизированного блока кода после оператора synchronized идёт объект-заглушка.

В качестве объекта может использоваться только объект какого-нибудь класса, но не примитивного типа.

Когда выполнение кода доходит до оператора synchronized, монитор объекта блокируется, и на время его блокировки монопольный доступ к блоку кода имеет только один поток, который и произвёл блокировку. После окончания работы блока кода монитор освобождается и становится доступным для других потоков. 

Java-код

public class Main {
    private Object obj = new Object();
    public void doSomething() {
        // ...какая-то логика, доступная для всех потоков
        synchronized (obj) {
            // логика, которая одновременно доступна только для одного потока
        }
    }
}

Мьютекс и Монитор

Мьютекс — поле для синхронизации потоков. Есть у каждого объекта в Java. Неважно, какими классами пользоваться стандартными или собственными: у всех объектов всех классов есть мьютекс.

Это простейший Семафор, который может находиться в одном из двух состояний: true или false.

Монитор — это дополнительная надстройка над Мьютексом.

Когда один тред (поток) заходит внутрь synchronized блока кода, JVM тут же блокирует Mьютекс синхронизированного объекта.

Mutex — это «флажок», переходящий к потоку, который в данный момент имеет право работать с общими ресурсами. Он исключает доступ остальных потоков к занятому участку памяти. Мьютексов в приложении может быть несколько, и они могут разделяться между процессами.

Java-код

public class Main {
   private Object obj = new Object();
   public void doSomething() {
       //...какая-то логика, доступная для всех потоков
       synchronized (obj) {
           //логика, которая одновременно доступна только для одного потока
       }
   }
}

В блоке кода, который помечен словом synchronized, происходит захват мьютекса объекта obj.

Семафор

Семафоры представляют еще одно средство синхронизации для доступа к ресурсу. В Java семафоры представлены классом Semaphore, который располагается в пакете java.util.concurrent. Для управления доступом к ресурсу семафор использует счетчик, представляющий количество разрешений. Если значение счетчика больше нуля, то поток получает доступ к ресурсу, при этом счетчик уменьшается на единицу.

Синхронизация в статических методах. Синхронизация по классу

Пример синхронизации статических методов.

Java-код

class MyClass {
	static int count;
	public static synchronized int getCount() {
		return count;
	}
}

У каждого объекта есть мьютекс. В примере не понятно, что будет выполнять роль мьютекса.

Ведь для вызова статического метода MyClass.getCount() - не нужны объекты.

Если требуется синхронизация в статических методах, то она осуществляется по классу.

Java-код

class MyClass {
	static int count;
	public static int getCount() {
		synchronized (MyClass.class) {
			return count;
		}
	}
}

Каждый загруженный в Java класс имеет соответствующий объект класса Class, представляющий этот класс. Монитор именно этого объекта используется для синхронизации статических методов.

При применении статических синхронизированных методов в Java происходит блокировка всего класса. Это означает, что только один поток может выполнять этот метод класса в одно и то же время.

Дополнительно. Объект МОНИТОР

В Java монитором может быть любой объект

Объект МОНИТОР - может быть взят как из вне, например вот так:

public final Object monitor = new Object()

Так и быть полем текущего класса. Монитор - это любой объект, любого типа.

Смысл объекта МОНИТОРА и ЕГО ЗАДАЧА - РЕГУЛИРОВАТЬ ДОСТУП В КРИТИЧЕСКУЮ СЕКЦИЮ МНОГОПОТОЧНОГО КОДА - в блок синхронизации.

Может ли поток блокировать мьютекс двух объектов?

Да, поток может блокировать мьютекс двух объектов.
Однако при таком подходе существует риск взаимоблокировки deadlock.

Например, если первый поток заблокирует один мьютекс, а второй — другой, оба потока зависнут в ожидании друг друга.