23. Sincronización y bloqueos en Java

23. Sincronización y bloqueos en Java

La programación concurrente en Java es un tema avanzado y crucial para desarrollar aplicaciones sólidas y eficientes. Sin embargo, con la ejecución de múltiples subprocesos que acceden a recursos compartidos, surgen desafíos relacionados con la coherencia de los datos y la coordinación entre subprocesos. Para hacer frente a estos desafíos, Java proporciona mecanismos de sincronización y bloqueo.

El problema de la competencia

Cuando varios subprocesos operan en datos compartidos sin una sincronización adecuada, pueden ocurrir condiciones de carrera, donde los resultados de la ejecución dependen del orden no determinista en el que se ejecutan los subprocesos. Esto puede provocar comportamientos impredecibles y errores difíciles de reproducir y corregir.

Mecanismos de sincronización

Para evitar condiciones de carrera, Java ofrece mecanismos de sincronización que le permiten controlar el acceso a recursos compartidos. La construcción principal para la sincronización en Java es la palabra clave synchronized, que se puede utilizar para sincronizar un bloque de código o un método completo.

Métodos sincronizados

Cuando un método se declara sincronizado, garantiza que solo un hilo a la vez puede ejecutarlo en una instancia de la clase. Si el método es estático, el bloqueo se realiza a nivel de clase, no a nivel de instancia.

método sincronizado vacío público sincronizado () {
    // Código que manipula el recurso compartido
}

Bloques sincronizados

En lugar de sincronizar un método completo, puedes sincronizar solo una sección crítica de código usando un bloque sincronizado. Esto se hace especificando un objeto de bloqueo en el que se mantiene el bloqueo.

método public voidComBlocoSincronizado() {
    sincronizado (esto) {
        // sección crítica del código
    }
}

Monitores y bloques inherentes

En Java, cada objeto tiene un bloqueo o monitor inherente, que se utiliza para implementar la sincronización. Cuando un hilo ingresa a un método o bloque sincronizado, adquiere el bloqueo asociado con el objeto o clase. Otros subprocesos que intenten acceder al mismo bloque o método sincronizado se bloquearán hasta que el subproceso actual libere el bloqueo.

Bloqueos explícitos

Además de los bloqueos inherentes, la API de concurrencia de Java (java.util.concurrent) proporciona una serie de clases de bloqueo explícito que ofrecen más flexibilidad y control. Las clases ReentrantLock, ReadWriteLock y StampedLock son algunos ejemplos.

importar java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

clase pública EjemploLock {
    bloqueo ReentrantLock final privado = nuevo ReentrantLock();

    método público vacíoComLock() {
        lock.lock();
        intentar {
            // Código protegido por candado
        } finalmente {
            bloqueo y desbloqueo();
        }
    }
}

Los bloqueos explícitos ofrecen características adicionales, como la capacidad de intentar adquirir un bloqueo sin esperar indefinidamente (tryLock), la capacidad de interrumpir un hilo mientras espera un bloqueo (lockInterruptfully ) y la capacidad de comprobar si el bloqueo se mantiene (isLocked).

Condiciones y sincronización fina

Con la clase ReentrantLock, también puedes crear una o más Condition que proporcionan una forma más fina de sincronización, permitiendo que los subprocesos esperen condiciones específicas o notifiquen a otros subprocesos sobre cambios de estado.

importar java.util.concurrent.locks.Condition;
importar java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

clase pública Condición de ejemplo {
    bloqueo ReentrantLock final privado = nuevo ReentrantLock();
    Condición final privada condición = lock.newCondition();

    public void awaitCondicao() lanza InterruptedException {
        lock.lock();
        intentar {
            // Espera hasta que se cumpla la condición
            condición.await();
        } finalmente {
            bloqueo y desbloqueo();
        }
    }

    Condición de señal pública vacía() {
        lock.lock();
        intentar {
            // Señala un hilo que está esperando la condición
            condición.señal();
        } finalmente {
            bloqueo y desbloqueo();
        }
    }
}

Consideraciones de rendimiento

La sincronización tiene un costo asociado en términos de rendimiento, ya que puede reducir la concurrencia y aumentar los tiempos de espera de los subprocesos. Por lo tanto, es importante utilizar la sincronización de forma cuidadosa y eficiente, protegiendo sólo las secciones críticas del código y evitando bloqueos innecesarios.

Buenas Prácticas

• Minimice el alcance de los bloques sincronizados para reducir el tiempo que se mantienen los bloqueos.
• Evite realizar operaciones de E/S o llamadas de redy dentro de bloques sincronizados, ya que esto puede causar retrasos importantes.
• Considere utilizar colecciones de la API java.util.concurrent, que están diseñadas para usarse en entornos concurrentes sin necesidad de sincronización externa.
• Tenga en cuenta los interbloqueos, que pueden ocurrir cuando dos o más subprocesos esperan indefinidamente entre sí para liberar los bloqueos.

Conclusión

La sincronización y los bloqueos son herramientas esenciales para la programación concurrente en Java, lo que permite a los desarrolladores gestionar el acceso a recursos compartidos y evitar condiciones de carrera. Sin embargo, es importante utilizar estos mecanismos con cuidado y conocimiento, ya que pueden afectar el rendimiento de la aplicación y provocar problemas complejos como interbloqueos. Con una sólida comprensión de los conceptos de sincronización y las API proporcionadas por Java, los desarrolladores pueden crear aplicaciones simultáneas seguras y eficientes.