同期メカニズム

データ一貫性の原則

マルチスレッドアプリケーションを作成さくせいする際さい、データ一貫性いっかんせいを確保かくほするための2つの原則げんそく：

相互排他 (Mutual Exclusion)

クリティカルセクション内ないのコードは、一度いちどに1つのスレッドのみが実行じっこうできます。つまり、同時どうじに1つのスレッドのみが変数へんすうにアクセスできます。

可視性 (Visibility)

共有きょうゆうデータの値あたいがあるスレッドによって変更へんこうされた場合ばあい、他ほかのスレッドがすぐにその変更へんこうを確認かくにんできます。

volatile キーワード

Javaでは、各かくスレッドが独自どくじのメモリ空間くうかん（ワーキングメモリ）を持もっています。操作そうさを実行じっこうした後あと、スレッドは使用しようした変数へんすうの値あたいをメインメモリに更新こうしんし、他ほかのスレッドはメインメモリから最新さいしんの値あたいを読よみ取とることができます。

この特性とくせいはプログラムの処理しょり効率こうりつを向上こうじょうさせますが、マルチスレッド環境かんきょうでは変数へんすうの可視性かしせい問題もんだいを引ひき起おこす可能性かのうせいがあります。

synchronized キーワード

異ことなるスレッドが同おなじリソースに同時どうじにアクセスする可能性かのうせいがあります。synchronized の目的もくてきは、一度いちどに1つのスレッドのみが同おなじリソースを使用しようできるように制御せいぎょすることです。

ロックオブジェクト (Lock Object)

ロックとして使用しようされるオブジェクト：

1. synchronized method - ロックは現在げんざいのオブジェクトインスタンス
2. static synchronized method - ロックは現在げんざいのクラスの Class オブジェクト
3. synchronized(obj) - ロックは括弧かっこ内ないで指定していされたオブジェクト

synchronized の制限

1. 同時どうじに1つのスレッドのみが synchronized ブロックに入はいることができます
2. 待機中たいきちゅうのスレッドが synchronized ブロックを取得しゅとくする順序じゅんじょは保証ほしょうされません

パフォーマンスの考慮

• 低ていオーバーヘッド：synchronized ブロックが競合きょうごうしていない場合ばあい（まだロックされていない）
• 高こうオーバーヘッド：synchronized ブロックが競合きょうごうしている場合ばあい（別べつのスレッドによってすでにロックされている）

volatile vs synchronized

CPU キャッシュコヒーレンス

  flowchart LR
    subgraph CPU1[CPU Core 1]
        C1[Cache]
    end
    subgraph CPU2[CPU Core 2]
        C2[Cache]
    end
    MM[Main Memory]

    C1 <--> MM
    C2 <--> MM

可視性問題

異ことなる CPU コアのスレッドが同おなじメモリ（クラスなど）を共有きょうゆうする場合ばあい、適切てきせつな同期どうきメカニズムがないと、あるスレッドによる変数へんすうの変更へんこうが他ほかのスレッドに適時てきじに反映はんえいされない可能性かのうせいがあります。

Happens-Before 保証

Happens-Before は、命令めいれいの並ならべ替かえが Java の可視性かしせい保証ほしょうを破壊はかいすることを防ふせぐための一連いちれんのルールです。

• volatile の happens-before 保証ほしょう：volatile 変数へんすうへの書かき込こみは、その後あとのその変数へんすうの読よみ取とりより happens-before
• synchronized の happens-before 保証ほしょう：ロックの解放かいほうは、その後あとの同おなじロックの取得しゅとくより happens-before

Race Condition

2つ以上いじょうのスレッドが、不正ふせいな結果けっかを引ひき起おこす可能性かのうせいのある方法ほうほうで同おなじ変数へんすうにアクセスする場合ばあい、レースコンディションが発生はっせいします。

発生条件

• 2つ以上いじょうのスレッドが同おなじ変数へんすうまたはデータを同時どうじに読よみ書かきする
• スレッドが以下いかのパターンで変数へんすうにアクセスする：
  • Check-then-act：確認かくにん後ご実行じっこう
  • Read-modify-write：変更へんこう値あたいが以前いぜん読よみ取とった値あたいに依存いぞん
• スレッドの変数へんすうアクセスがアトミックではない

解決策

synchronized ブロックを使用しようして相互排他そうごはいたを確保かくほ：

synchronized (lock) {
    if (condition) {
        // 操作を実行
    }
}

参考リソース

• Java Thread Practices Collection