Rate this post

Trong Java, từ khóa synchronized được sử dụng để đảm bảo rằng một phương thức hoặc một khối lệnh chỉ được thực thi bởi một thread duy nhất tại một thời điểm. Nó giúp ngăn chặn việc xảy ra race condition, tức là việc hai hoặc nhiều thread cùng truy cập và thay đổi cùng một tài nguyên dữ liệu đang chia sẻ.

Các bài viết liên quan:

Tóm tắt nội dung

Giới thiệu về synchronized trong Java

Trong Java, từ khóa “synchronized” được sử dụng để đồng bộ hóa truy cập vào các phương thức hoặc khối lệnh, đảm bảo rằng chỉ có một luồng được phép thực hiện truy cập vào phần tài nguyên được đồng bộ hóa tại một thời điểm. Điều này giúp đảm bảo tính nhất quán và an toàn trong môi trường đa luồng.

Khi một phương thức hoặc khối lệnh được khai báo là “synchronized”, chỉ một luồng có thể thực hiện nó tại một thời điểm. Các luồng khác phải chờ đợi cho đến khi luồng hiện tại hoàn thành truy cập trước đó. Điều này đảm bảo rằng không có sự xung đột xảy ra khi nhiều luồng cố gắng truy cập vào cùng một tài nguyên.

Từ khóa “synchronized” có thể được áp dụng cho phương thức hoặc khối lệnh. Khi áp dụng cho phương thức, nó đồng bộ hóa toàn bộ phương thức, trong khi áp dụng cho khối lệnh, nó chỉ đồng bộ hóa các câu lệnh trong khối lệnh đó.

Xem thêm Lý thuyết số học trong mã hóa

Synchronized cung cấp các lợi ích sau:

Đảm bảo tính nhất quán: Bằng cách đồng bộ hóa truy cập vào các phương thức hoặc khối lệnh, synchronized đảm bảo rằng chỉ có một luồng được phép thực hiện truy cập vào tài nguyên đồng thời, tránh xung đột và đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu.
Bảo vệ tài nguyên: Synchronized giúp bảo vệ các tài nguyên chia sẻ bởi nhiều luồng khỏi các truy cập không đồng bộ và sự thay đổi không xác định.
Đồng bộ hóa luồng: Synchronized cung cấp cơ chế đồng bộ hóa cho các luồng, giúp quản lý truy cập đồng thời và tránh các vấn đề như deadlock và race condition.

Tuy nhiên, việc sử dụng synchronized cần được cân nhắc kỹ lưỡng, vì nó có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của ứng dụng. Sử dụng quá nhiều synchronized có thể dẫn đến tình trạng đợi lẫn nhau (contention) giữa các luồng và làm giảm hiệu suất. Do đó, cần phải cân nhắc về việc sử dụng synchronized và tối ưu hóa mã nguồn khi cần thiết.

Có hai cách để sử dụng synchronized trong Java:

Sử dụng từ khóa synchronized trước một phương thức hoặc một khối lệnh để cho biết rằng phương thức hoặc khối lệnh đó chỉ được thực thi bởi một thread duy nhất tại một thời điểm.

public synchronized void incrementCounter() {
    counter++;
}

Sử dụng synchronized block trong một khối lệnh bất kỳ để cho biết rằng khối lệnh đó chỉ được thực thi bởi một thread duy nhất tại một thời điểm.

public void incrementCounter() {
    synchronized (this) {
        counter++;
    }
}

Trong cả hai trường hợp, một thread sẽ khóa một đối tượng hoặc một class nào đó trước khi thực thi phương thức hoặc khối lệnh được chứa trong synchronized block, và sẽ mở khóa sau khi thực thi xong. Điều này giúp đảm bảo rằng chỉ có một thread được thực thi trong một thời điểm, tránh việc hai thread cùng truy cập và thay đổi cùng một tài nguyên dữ liệu đang chia sẻ, và tăng tính nhất quán của chương trình.

Lưu ý rằng sử dụng synchronized có thể giảm hiệu suất của chương trình do một thread phải chờ đợi để sử dụng tài nguyên đang được sử dụng bởi một thread khác. Do đó, nên chỉ sử dụng synchronized khi cần thiết và đảm bảo rằng thời gian chờ đợi là cần thiết và thấp nhất có thể.

Nguyên tắc hoạt động của synchronized

Nguyên tắc hoạt động của từ khóa “synchronized” trong Java là đảm bảo rằng chỉ có một luồng được phép thực hiện truy cập vào phần tài nguyên được đồng bộ hóa tại một thời điểm. Khi một luồng thực hiện truy cập vào phần tài nguyên được đánh dấu là synchronized, nó sẽ khóa (lock) tài nguyên đó, ngăn các luồng khác khỏi việc truy cập vào tài nguyên đó cho đến khi luồng hiện tại hoàn thành truy cập.

Các nguyên tắc hoạt động của synchronized bao gồm:

Khóa (Lock): Khi một luồng bắt đầu thực hiện phần tài nguyên synchronized, nó sẽ khóa tài nguyên đó, chỉ cho phép chính nó thực hiện truy cập. Các luồng khác cố gắng truy cập vào tài nguyên đó sẽ bị chặn cho đến khi tài nguyên được mở khóa.
Hoàn thành (Release): Khi luồng hiện tại hoàn thành việc truy cập vào tài nguyên synchronized, nó sẽ mở khóa tài nguyên, cho phép các luồng khác tiếp tục truy cập.
Độc quyền (Exclusivity): Chỉ có một luồng được phép khóa và truy cập vào tài nguyên synchronized tại một thời điểm. Điều này đảm bảo tính nhất quán và tránh xung đột truy cập đồng thời từ nhiều luồng.
Chờ đợi (Waiting): Các luồng khác cố gắng truy cập vào tài nguyên synchronized khi tài nguyên đang bị khóa sẽ phải chờ đợi cho đến khi tài nguyên được mở khóa. Điều này đảm bảo rằng không có xung đột xảy ra và đồng thời tránh các vấn đề như race condition.

Nguyên tắc hoạt động của synchronized giúp đảm bảo tính nhất quán và an toàn trong môi trường đa luồng, đồng thời tránh xung đột và đảm bảo rằng các tài nguyên được truy cập một cách đúng đắn.

Xem thêm Giao thức Mạng trong TCP/IP

Ưu điểm và nhược điểm của synchronized

Ưu điểm của từ khóa “synchronized” trong Java:

Đảm bảo tính nhất quán: Synchronized đảm bảo rằng chỉ có một luồng được phép truy cập vào phần tài nguyên được đồng bộ hóa tại một thời điểm. Điều này giúp đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu khi nhiều luồng cùng truy cập và thay đổi dữ liệu.
Đảm bảo an toàn đồng thời: Synchronized giúp tránh xung đột và đảm bảo an toàn khi có nhiều luồng cùng truy cập và thay đổi dữ liệu. Nó ngăn chặn các vấn đề như race condition và xung đột giữa các luồng.
Dễ sử dụng: Synchronized là một cách đơn giản để đảm bảo tính nhất quán và an toàn trong môi trường đa luồng. Nó chỉ đơn giản là thêm từ khóa synchronized vào phương thức hoặc khối mã cần được đồng bộ hóa.

Nhược điểm của từ khóa “synchronized” trong Java:

Hiệu suất giảm: Synchronized có thể làm giảm hiệu suất của ứng dụng vì khi một luồng khóa tài nguyên, các luồng khác phải chờ đợi cho đến khi tài nguyên được mở khóa. Điều này có thể gây ra tình trạng block và làm giảm hiệu suất chương trình.
Khả năng xảy ra deadlock: Nếu không sử dụng synchronized đúng cách, có thể xảy ra tình huống deadlock khi hai hay nhiều luồng cùng chờ đợi nhau và không thể tiếp tục thực thi. Điều này có thể xảy ra khi sử dụng quá nhiều synchronized trong ứng dụng.
Khó điều khiển và debug: Khi sử dụng synchronized, cần phải kiểm soát và đồng bộ hóa các điểm truy cập vào tài nguyên chia sẻ. Điều này có thể làm cho mã trở nên phức tạp hơn và khó khăn trong việc debug và tìm lỗi.

Tuy nhiên, với sự cải tiến của các cơ chế đồng bộ hóa trong Java và sự phát triển của các phương pháp khác như Lock và ConcurrentHashMap, các nhược điểm trên có thể được khắc phục và tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng đa luồng.

Synchronized và đa luồng (multithreading)

Synchronized là một khái niệm quan trọng trong đa luồng (multithreading) trong Java. Nó được sử dụng để đồng bộ hóa truy cập và thay đổi dữ liệu trong môi trường đa luồng, nhằm đảm bảo tính nhất quán và an toàn dữ liệu.

Khi một phương thức hoặc khối mã được đánh dấu bằng từ khóa synchronized, chỉ có một luồng được phép thực thi phần mã đó tại một thời điểm. Các luồng khác phải chờ đợi cho đến khi luồng hiện tại hoàn thành việc thực thi trong khối synchronized.

Synchronized hoạt động dựa trên cơ chế khóa (lock) và monitor. Khi một luồng thực thi vào khối synchronized, nó sẽ mở khóa (acquire lock) và khi hoàn thành, nó sẽ giải khóa (release lock). Khi một luồng đã mở khóa, các luồng khác có thể vào khối synchronized để thực thi.

Synchronized giúp đảm bảo tính nhất quán và an toàn dữ liệu trong các tình huống như race condition, khi nhiều luồng cùng truy cập và thay đổi dữ liệu. Nó ngăn chặn xung đột và đảm bảo rằng chỉ một luồng được phép truy cập vào tài nguyên được đồng bộ hóa tại một thời điểm.

Tuy nhiên, việc sử dụng synchronized cần được cân nhắc kỹ lưỡng để tránh các vấn đề như deadlock và giảm hiệu suất của ứng dụng. Đồng thời, cần phải đảm bảo việc sử dụng synchronized đúng cách và đồng bộ hóa đúng điểm truy cập vào tài nguyên chia sẻ để tránh các lỗi và vấn đề gây khó khăn trong debug.

Ngoài synchronized, trong Java còn có các phương pháp khác để đạt được đồng bộ hóa và quản lý đa luồng như sử dụng Lock, Condition, Semaphore, và các cấu trúc dữ liệu như ConcurrentHashMap. Việc lựa chọn phương pháp đồng bộ hóa phù hợp sẽ giúp tối ưu hiệu suất và đảm bảo tính nhất quán trong môi trường đa luồng.

Xem thêm Biểu đồ phân bổ tài nguyên trong hệ điều hành

Synchronized và hiệu suất (performance)

Synchronized có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của ứng dụng do cơ chế đồng bộ hóa và quản lý đa luồng. Một số vấn đề liên quan đến hiệu suất khi sử dụng synchronized là:

Overhead: Synchronized đòi hỏi việc tạo và quản lý các khóa (lock) và monitor, điều này tạo ra một khoản overhead trong quá trình thực thi chương trình. Mỗi khi một luồng muốn truy cập vào một khối synchronized, nó phải kiểm tra và xử lý khóa, dẫn đến một phần tử thêm vào quá trình thực thi.
Blocking: Khi một luồng đang thực thi trong một khối synchronized, các luồng khác phải chờ đợi cho đến khi luồng hiện tại hoàn thành. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng blocking và làm giảm hiệu suất khi các luồng khác không thể thực thi đồng thời.
Deadlock: Sử dụng synchronized một cách không cẩn thận có thể dẫn đến deadlock – một tình huống mà các luồng đang chờ đợi lẫn nhau vô hạn. Điều này xảy ra khi mỗi luồng giữ một khóa và đợi khóa khác được giải phóng, trong khi khóa đó đang bị giữ bởi một luồng khác trong nhóm. Deadlock làm cho ứng dụng treo đơ và không thể tiếp tục thực thi.

Để tối ưu hiệu suất khi sử dụng synchronized, cần lưu ý các điểm sau:

Đồng bộ hóa chỉ khi cần thiết: Chỉ áp dụng synchronized khi dữ liệu thực sự cần được bảo vệ khỏi race condition và các vấn đề liên quan đến đa luồng. Tránh đồng bộ hóa không cần thiết để giảm overhead.
Sử dụng phạm vi nhỏ nhất: Đặt khối synchronized chỉ bao phủ phần cần bảo vệ, tránh đặt synchronized cho toàn bộ phương thức hoặc lớp.
Sử dụng các cấu trúc dữ liệu không đồng bộ: Nếu có thể, hãy sử dụng các cấu trúc dữ liệu không đồng bộ như ConcurrentHashMap thay vì sử dụng synchronized. Các cấu trúc này được thiết kế để xử lý đa luồng mà không cần đồng bộ hóa toàn bộ.
Sử dụng lock cụ thể: Thay vì sử dụng từ khóa synchronized, bạn có thể sử dụng các đối tượng Lock cung cấp bởi Java như ReentrantLock để kiểm soát đồng bộ hóa và giảm tác động lên hiệu suất.
Tối ưu hóa các phần code khác: Đồng bộ hóa không phải lúc nào cũng là nguyên nhân gây hiệu suất chậm. Đôi khi, việc tối ưu hóa code khác, ví dụ như thuật toán hay cấu trúc dữ liệu, có thể mang lại hiệu quả tốt hơn so với việc tăng cường đồng bộ hóa.

Lưu ý rằng, việc tối ưu hiệu suất trong môi trường đa luồng là một nhiệm vụ phức tạp và đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng. Thông qua việc nắm vững các nguyên tắc hoạt động của synchronized và sử dụng các công cụ phù hợp, bạn có thể tối ưu hiệu suất và đảm bảo tính nhất quán trong ứng dụng đa luồng của mình.

Xem thêm Truy vấn Plan Cache Commands trong MongoDB

Một số ví dụ về synchronized trong java

Sử dụng synchronized trong một phương thức để đảm bảo rằng chỉ một thread được thực thi cùng một lúc :

public class Counter {
    private int count = 0;
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

Sử dụng synchronized trong một khối lệnh để chỉ cho một thread thực thi một block cụ thể :

public class BankAccount {
    private int balance = 0;
    public void deposit(int amount) {
        synchronized(this) {
            balance += amount;
        }
    }
    public void withdraw(int amount) {
        synchronized(this) {
            balance -= amount;
        }
    }
}

Sử dụng synchronized trong một class để chỉ cho một thread thực thi một phương thức trong class đó :

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() { }
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

Sử dụng synchronized trong một block trong nhiều thread để chỉ cho một thread thực thi block đó :

class Task implements Runnable {
    private final Object lock;
    public Task(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }
    public void run() {
        synchronized (lock) {
            // Perform a task
        }
    }
}

Trong các ví dụ trên chỉ là một số trong nhiều cách sử dụng synchronized trong Java, có thể có nhiều cách khác để sử dụng synchronized tùy theo nhu cầu của chương trình.

Các phương pháp thay thế synchronized

Có một số phương pháp thay thế synchronized để đạt được đồng bộ hóa và giảm tác động lên hiệu suất. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến:

ReentrantLock: ReentrantLock là một lớp trong gói java.util.concurrent.locks, cung cấp khả năng đồng bộ hóa tương tự như synchronized. Tuy nhiên, ReentrantLock cho phép tuỳ chỉnh hơn với các phương thức như lock() và unlock(), và hỗ trợ các khối lệnh try-finally để đảm bảo việc giải phóng khóa một cách an toàn.
AtomicInteger: AtomicInteger là một lớp trong gói java.util.concurrent.atomic, cung cấp cơ chế đồng bộ hóa cho các phép toán trên số nguyên. Bằng cách sử dụng phương thức atomic, bạn có thể thực hiện các thao tác như tăng, giảm, cộng và trừ một cách an toàn trong môi trường đa luồng.
Semaphore: Semaphore là một lớp trong gói java.util.concurrent, cho phép bạn kiểm soát số lượng luồng được phép thực thi đồng thời. Semaphore hữu ích khi bạn muốn giới hạn số lượng luồng có thể truy cập vào một phần code cùng một lúc.
ConcurrentHashMap: ConcurrentHashMap là một cấu trúc dữ liệu không đồng bộ trong gói java.util.concurrent, được thiết kế đặc biệt để xử lý đa luồng mà không cần đồng bộ hóa toàn bộ. Nó cung cấp các phương thức an toàn để thao tác với các phần tử của bảng băm trong môi trường đa luồng.
synchronized block: Thay vì đồng bộ hóa toàn bộ phương thức, bạn có thể sử dụng synchronized block để đồng bộ hóa chỉ một phần code cần thiết. Bằng cách sử dụng từ khóa synchronized trên một đối tượng hoặc một khối lệnh, bạn có thể đảm bảo rằng chỉ một luồng được phép truy cập vào phần code đó cùng một thời điểm.

Việc lựa chọn phương pháp thay thế synchronized phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và ngữ cảnh sử dụng. Cần xem xét tính an toàn, hiệu suất và độ phức tạp của mỗi phương pháp trước khi quyết định sử dụng.

Xem thêm 100+ bài tập Java

java

synchronized trong java