In Java gibt es viele Möglichkeiten, Threads zu erstellen und zu steuern, um parallele Ausführung zu ermöglichen. Das „synchronized“-Keyword ist ein wichtiges Konzept in der Java-Multithreading-Welt, das die Synchronisation von Threads erleichtert. In diesem Artikel werden wir das „synchronized“-Keyword in Java ausführlich erklären.
Was ist das „synchronized“-Keyword?
Das „synchronized“-Keyword in Java ist ein Modifizierer, der auf Methoden oder Codeblöcke angewendet werden kann, um sicherzustellen, dass nur ein Thread gleichzeitig auf diesen Code zugreifen kann. Es ist ein grundlegendes Werkzeug zur Vermeidung von Race Conditions und zur Herstellung von kritischen Abschnitten in einem Multithreading-Umfeld.
In Java gibt es zwei Hauptverwendungen des „synchronized“-Keywords:
- Synchronisierte Methoden: Sie kennzeichnen eine Methode als synchronisiert, wodurch nur ein Thread gleichzeitig diese Methode aufrufen kann. Andere Threads müssen warten, bis der aktuelle Thread die Methode beendet hat.
- Synchronisierte Blöcke: Sie ermöglichen die Synchronisation von Teilen des Codes, indem sie einen bestimmten Bereich von Anweisungen innerhalb eines Blocks schützen. Nur ein Thread kann gleichzeitig auf diesen Bereich zugreifen.
Warum ist Synchronisation wichtig?
In einem Multithreading-Umfeld teilen sich Threads Ressourcen wie Variablen und Datenstrukturen. Ohne die richtige Synchronisation können Probleme wie Race Conditions und Dateninkonsistenz auftreten. Hier sind einige Gründe, warum Synchronisation wichtig ist:
- Race Conditions vermeiden: Ohne Synchronisation können mehrere Threads gleichzeitig auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreifen und unvorhersehbare Ergebnisse produzieren. Synchronisation stellt sicher, dass nur ein Thread zu einem bestimmten Zeitpunkt auf kritische Ressourcen zugreifen kann.
- Datenkonsistenz gewährleisten: Wenn mehrere Threads gleichzeitig auf Daten zugreifen, besteht die Gefahr, dass die Daten in einem inkonsistenten Zustand hinterlassen werden. Synchronisation stellt sicher, dass Daten in einem definierten und konsistenten Zustand gehalten werden.
- Verhinderung von Deadlocks: Bei falscher Verwendung von Synchronisationsmechanismen können Deadlocks auftreten, bei denen Threads gegenseitig auf die Freigabe von Ressourcen warten und die Ausführung blockieren. Das richtige Verständnis und die korrekte Anwendung von „synchronized“ können Deadlocks verhindern.
Synchronisierte Methoden
Das „synchronized“-Keyword kann auf einer Methode angewendet werden, um sicherzustellen, dass nur ein Thread gleichzeitig darauf zugreifen kann. Hier ist ein einfaches Beispiel für eine synchronisierte Methode:
public synchronized void synchronizedMethod() {
// Code, der synchronisiert werden soll
}Code-Sprache: JavaScript (javascript)In diesem Fall wird die Methode synchronizedMethod als synchronisiert deklariert. Wenn ein Thread diese Methode aufruft, wird er die Kontrolle über die Methode übernehmen, und andere Threads müssen warten, bis der aktuelle Thread die Methode verlassen hat.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Synchronisation auf Methodebene bedeutet, dass sie für alle Instanzen einer Klasse gilt. Wenn Sie also mehrere Objekte derselben Klasse haben und eine Methode synchronisiert ist, blockiert der Aufruf dieser Methode in einem Objekt andere Threads, die dieselbe Methode in anderen Objekten aufrufen möchten.
Synchronisierte Blöcke
Synchronisierte Blöcke bieten mehr Flexibilität als synchronisierte Methoden, da sie nur einen bestimmten Bereich von Anweisungen innerhalb eines Blocks schützen. Dies ermöglicht eine feinere Steuerung über die Synchronisation. Um einen synchronisierten Block zu erstellen, verwenden Sie das „synchronized“-Keyword gefolgt von einem Objekt, auf das die Synchronisation angewendet werden soll:
public void someMethod() {
// Nicht synchronisierter Code hier
synchronized (lockObject) {
// Code, der synchronisiert werden soll
}
// Nicht synchronisierter Code hier
}Code-Sprache: JavaScript (javascript)In diesem Beispiel wird der Bereich innerhalb des synchronisierten Blocks von lockObject geschützt. Nur ein Thread kann gleichzeitig diesen Block ausführen, wenn er das entsprechende lockObject besitzt.
Die Verwendung von synchronisierten Blöcken bietet mehr Kontrolle über die Synchronisation und kann die Leistung verbessern, da nicht der gesamte Methodenaufruf gesperrt wird, sondern nur der kritische Abschnitt.
Intrinsische Locks und Monitore
Hinter den Kulissen verwendet Java „intrinsische Locks“ oder „Monitore“, um die Synchronisation zu implementieren. Jedes Objekt in Java hat einen damit verknüpften Monitor, der zur Synchronisation verwendet werden kann. Wenn ein Thread versucht, eine synchronisierte Methode oder einen synchronisierten Block auszuführen, versucht er, den Monitor des zugehörigen Objekts zu erfassen. Wenn der Monitor bereits von einem anderen Thread erfasst wird, wird der Thread in eine Warteschlange gestellt, bis er den Monitor freigeben kann.
Hier ist ein einfaches Beispiel, das die Verwendung von Monitoren zeigt:
public class SynchronizedExample {
private Object lock = new Object();
public void synchronizedMethod() {
synchronized (lock) {
// Synchronisierter Code hier
}
}
}Code-Sprache: JavaScript (javascript)In diesem Beispiel wird der Monitor lock verwendet, um die Synchronisation zu steuern. Nur ein Thread kann gleichzeitig den synchronisierten Block ausführen, wenn er den Monitor lock besitzt.
Statische synchronisierte Methoden
Bisher haben wir über die Synchronisation von Instanzmethoden gesprochen. Java ermöglicht auch die Synchronisation von statischen Methoden. Statische synchronisierte Methoden verwenden den Klassenmonitor für die Synchronisation und blockieren den Zugriff auf die Methode für Threads, die denselben Monitor verwenden. Hier ist ein Beispiel:
public class SynchronizedExample {
public static synchronized void staticSynchronizedMethod() {
// Synchronisierter Code hier
}
}Code-Sprache: PHP (php)In diesem Fall wird die Methode staticSynchronizedMethod als statisch synchronisiert deklariert, und sie
verwendet den Monitor der Klasse SynchronizedExample zur Synchronisation.
Synchronisationsprobleme und ihre Lösungen
Obwohl das „synchronized“-Keyword in Java eine leistungsstarke Methode zur Synchronisation von Threads ist, können bei falscher Verwendung immer noch Probleme auftreten. Hier sind einige häufige Probleme und ihre Lösungen:
1. Deadlocks
Ein Deadlock tritt auf, wenn zwei oder mehr Threads auf die Freigabe von Ressourcen warten, die von anderen Threads blockiert werden. Dies kann dazu führen, dass alle beteiligten Threads blockiert werden und die Anwendung nicht mehr reagiert. Um Deadlocks zu vermeiden, ist es wichtig, dass Threads Ressourcen in derselben Reihenfolge anfordern.
2. Schlechte Leistung
Übermäßige Verwendung von Synchronisation kann die Leistung einer Anwendung beeinträchtigen, da sie dazu führt, dass Threads unnötig auf die Freigabe von Sperren warten. Es ist ratsam, Synchronisation nur für kritische Abschnitte des Codes zu verwenden und sicherzustellen, dass diese Abschnitte so kurz wie möglich sind.
3. Locking auf null
Es ist wichtig sicherzustellen, dass Sie nicht auf null synchronisieren, da dies zu NullPointerExceptions führen kann. Stellen Sie sicher, dass Sie immer auf ein gültiges Objekt synchronisieren.
4. Alternativen zur Verbesserung der Leistung
In einigen Fällen kann es sinnvoll sein, auf alternative Synchronisationsmechanismen wie java.util.concurrent-Pakete zurückzugreifen, um die Leistung zu verbessern. Diese Pakete bieten fortschrittlichere Synchronisationswerkzeuge wie Locks, Semaphores und CountdownLatches.
Fazit
Das „synchronized“-Keyword in Java ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Synchronisation von Threads und zur Vermeidung von Problemen wie Race Conditions und Dateninkonsistenz. Es ermöglicht die sichere gemeinsame Nutzung von Ressourcen in Multithreading-Anwendungen. Es ist jedoch wichtig, das „synchronized“-Keyword korrekt und sorgfältig zu verwenden, um Probleme wie Deadlocks und Leistungseinbußen zu vermeiden.
Beim Schreiben von Multithreading-Anwendungen in Java sollten Entwickler die Anforderungen ihrer Anwendung genau analysieren und die geeigneten Synchronisationsmechanismen auswählen. Bei komplexen Anforderungen können auch fortschrittlichere Synchronisationswerkzeuge aus dem java.util.concurrent-Paket in Betracht gezogen werden.
Die richtige Anwendung von Synchronisation in Java ist entscheidend, um robuste und leistungsstarke Multithreading-Anwendungen zu entwickeln und potenzielle Probleme zu vermeiden.