Wie funktioniert der 'synchronized'-Mechanismus in…

Der synchronized-Mechanismus in Java basiert auf dem Konzept der Monitore (Monitor-Objekte). Jedem Objekt in Java ist ein Monitor zugeordnet.

Wenn ein Thread in einen synchronisierten Block oder eine Methode eintritt, versucht er, den Monitor des entsprechenden Objekts zu erwerben. Ist der Monitor frei, erwirbt der Thread ihn und setzt die Ausführung fort. Ist der Monitor von einem anderen Thread belegt, wird der aktuelle Thread blockiert und wechselt in einen Wartezustand, bis der Monitor freigegeben wird.

Wenn ein Thread einen synchronisierten Block oder eine Methode verlässt (sei es durch erfolgreichen Abschluss oder durch eine Ausnahme), gibt er den Monitor frei.

Im Inneren des Monitors sind folgende Mechanismen implementiert:

Wechselseitiger Ausschluss (Mutual Exclusion): Nur ein Thread kann den Monitor eines Objekts zu einem Zeitpunkt besitzen. Dies stellt sicher, dass nur ein Thread synchronisierten Code für dieses Objekt ausführen kann.
Warten und Benachrichtigung (Waiting and Notification): Der Monitor umfasst eine Reihe von Methoden wait(), notify() und notifyAll(). Diese erlauben es Threads, die den Monitor besitzen, ihn vorübergehend freizugeben und in einen Wartezustand zu wechseln, sowie von anderen Threads benachrichtigt zu werden, um die Arbeit fortzusetzen.

Die Implementierung auf niedriger Ebene umfasst:

monitorenter-Anweisung: Wird beim Eintritt in einen synchronisierten Block oder eine Methode ausgeführt. Versucht, den Monitor des Objekts zu erwerben.
monitorexit-Anweisung: Wird beim Verlassen eines synchronisierten Blocks oder einer Methode ausgeführt (sei es durch normalen Abschluss oder durch eine Ausnahme). Gibt den Monitor des Objekts frei.

Diese Anweisungen sind Teil des Java-Bytecodes und werden von der Java Virtual Machine (JVM) verarbeitet. Die JVM nutzt native Mechanismen des Betriebssystems (wie Mutexes, Semaphoren), um Monitore und das Sperren/Entsperren von Threads zu verwalten.

Der Erwerb des Monitors kann auf Objektebene (für Instanzmethoden und -blöcke) oder auf Klassenebene (für statische Methoden und Blöcke) implementiert werden, wobei das Class-Objekt als Sperre verwendet wird.

Beispiel für die Verwendung:

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() { // Synchronisierte Methode
        count++;
    }

    public void decrement() {
        synchronized (this) { // Synchronisierter Block
            count--;
        }
    }

    public static synchronized void staticMethod() { // Statische synchronisierte Methode
        // ...
    }
}

Tabelle der Object-Methoden im Zusammenhang mit Monitoren:

Methode	Beschreibung
`wait()`	Der Thread, der den Monitor besitzt, gibt ihn vorübergehend frei und wechselt in den Wartezustand.
`notify()`	Benachrichtigt einen der wartenden Threads, dass er versuchen kann, den Monitor zu erwerben und die Arbeit fortzusetzen.
`notifyAll()`	Benachrichtigt alle wartenden Threads.

Wie funktioniert der 'synchronized'-Mechanismus in Java im Hintergrund?