探索 Java 中异步的对立面：同步编程
简介
在 Java 编程的世界里，异步编程受到了广泛关注，它允许程序在执行某些任务时不阻塞主线程，从而提高性能和响应性。然而，异步编程并非适用于所有场景。在许多情况下，我们需要使用同步编程，即本文所探讨的 “opposite of asynchronous java”。同步编程遵循一种顺序执行的模式，任务一个接一个地执行，前一个任务完成后才开始下一个任务。了解同步编程的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，对于编写高效、稳定的 Java 程序至关重要。
目录
- 基础概念
- 使用方法
- 方法调用同步
- 线程同步
- 常见实践
- 单线程应用场景
- 资源共享与互斥访问
- 最佳实践
- 避免不必要的同步
- 合理使用锁机制
- 使用并发集合类
- 小结
- 参考资料
基础概念
同步编程意味着程序的执行是顺序的，一次只能执行一个任务。在 Java 中，这通常是默认的执行模式。例如，当一个方法被调用时，调用线程会等待该方法执行完毕后才继续执行后续代码。这与异步编程形成鲜明对比，异步编程允许调用线程在方法执行时继续执行其他任务。
同步编程的核心在于对资源的有序访问。当多个线程可能访问共享资源时，同步机制确保在同一时间只有一个线程可以访问该资源，从而避免数据竞争和不一致的问题。
使用方法
方法调用同步
在 Java 中，方法调用默认是同步的。以下是一个简单的示例：
public class SynchronousMethodExample {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("开始执行 main 方法");
method1();
method2();
System.out.println("main 方法执行结束");
}
public static void method1() {
System.out.println("开始执行 method1");
// 模拟一些耗时操作
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("method1 执行结束");
}
public static void method2() {
System.out.println("开始执行 method2");
// 模拟一些耗时操作
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("method2 执行结束");
}
}
在上述代码中，main 方法中依次调用 method1 和 method2。method1 执行完毕后，method2 才会开始执行。这种顺序执行确保了程序的确定性和可预测性。
线程同步
当涉及多线程编程时，同步变得更加重要。Java 提供了多种线程同步的机制，其中最常用的是 synchronized 关键字。
使用 synchronized 关键字同步代码块
public class SynchronizedBlockExample {
private static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
synchronized (SynchronizedBlockExample.class) {
counter++;
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
synchronized (SynchronizedBlockExample.class) {
counter++;
}
}
});
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("最终 counter 的值: " + counter);
}
}
在上述代码中，synchronized (SynchronizedBlockExample.class) 块确保在同一时间只有一个线程可以访问 counter 变量，从而避免了数据竞争问题。
使用 synchronized 关键字同步方法
public class SynchronizedMethodExample {
private static int counter = 0;
public static synchronized void incrementCounter() {
counter++;
}
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
incrementCounter();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
incrementCounter();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("最终 counter 的值: " + counter);
}
}
在这个例子中，incrementCounter 方法被声明为 synchronized，这意味着在同一时间只有一个线程可以调用该方法，从而保证了 counter 变量的正确更新。
常见实践
单线程应用场景
在许多单线程应用中，同步编程是自然的选择。例如，一个简单的命令行工具，它按顺序执行一系列任务，不需要担心多线程并发带来的问题。在这种情况下，同步方法调用确保任务按照预期的顺序执行，代码逻辑简单明了。
资源共享与互斥访问
当多个线程需要访问共享资源时，同步编程用于确保资源的互斥访问。例如，多个线程可能需要读写一个共享的文件或数据库连接。通过同步机制，我们可以防止多个线程同时修改资源，从而保证数据的一致性。
最佳实践
避免不必要的同步
虽然同步机制可以保证数据的一致性，但过度使用同步会导致性能下降。因为同步会引入线程阻塞，降低并发性能。在编写代码时，要仔细分析是否真的需要同步。如果一个方法或代码块只被一个线程访问，就不需要进行同步。
合理使用锁机制
在使用 synchronized 关键字时，要注意锁的粒度。尽量使用较小的锁范围，只在需要保护共享资源的代码块上进行同步，而不是整个方法。这样可以减少线程阻塞的时间，提高并发性能。
使用并发集合类
Java 提供了许多并发安全的集合类，如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等。这些集合类内部已经实现了同步机制，使用它们可以避免手动同步带来的复杂性和性能问题。
小结
同步编程是 Java 编程中不可或缺的一部分，它在许多场景下发挥着重要作用。通过理解同步编程的基础概念、掌握其使用方法、了解常见实践以及遵循最佳实践，我们可以编写出高效、稳定且线程安全的 Java 程序。在实际应用中，需要根据具体的需求和场景，合理选择同步或异步编程方式，以达到最佳的性能和用户体验。