Android 多线程与内存模型Android 开发中的锁机制和内存模型是保证多线程安全和高性能的关键。以下分两

多线程的作用

多线程的主要目的是提高 CPU 的复用率。即使只有一个 CPU，多线程也能通过时间分片的方式实现并发执行，从而在同一时间段内处理多个任务。然而，多线程也带来了数据一致性和可见性问题，这就需要 Java 内存模型（JMM）和锁机制来解决。

Android 开发中的 锁机制 和 内存模型 是保证多线程安全和高性能的关键。以下分两部分详细讲解：

一、Android 锁机制

锁用于多线程环境下控制对共享资源的访问，防止数据竞争和不一致。Android 基于 Java，支持多种锁机制：

1. `synchronized` 关键字

作用：通过对象监视器（Monitor）实现同步，确保同一时刻只有一个线程执行临界区代码。
底层原理：
- 每个对象关联一个监视器锁（Monitor），通过 monitorenter 和 monitorexit 字节码指令实现。
- 在 Android ART 运行时中，锁可能经历 偏向锁 → 轻量级锁（自旋锁）→ 重量级锁 的优化过程，减少上下文切换开销。
锁的优化：
- 锁膨胀：从无锁状态到偏向锁、轻量级锁，最终膨胀为重量级锁。
  - 偏向锁：只有一个线程访问时，锁会偏向该线程，减少同步开销。
  - 轻量级锁：多个线程竞争时，通过 CAS（Compare-And-Swap）自旋尝试获取锁。
  - 重量级锁：竞争激烈时，锁会升级为重量级锁，涉及操作系统层面的同步。
- 锁粗化：将连续的同步代码块合并，减少加锁和解锁的次数。
- 锁消除：JVM 检测到不需要同步时，会自动移除锁。

示例：

public synchronized void syncMethod() { /* 临界区代码 */ }

// 或同步代码块
synchronized (lockObject) { /* 临界区代码 */ }

2. `ReentrantLock` 与显式锁

特点：
- 更灵活：支持可中断锁、超时获取锁、公平锁（避免线程饥饿）。
- 必须手动释放锁（lock() 和 unlock() 配对）。
优势：细粒度控制锁的获取和释放。

示例：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
lock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock();
}

3. 读写锁（`ReentrantReadWriteLock`）

适用场景：读多写少的场景，允许多个读线程同时访问，写线程独占。

示例：

ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
rwLock.readLock().lock();    // 获取读锁
rwLock.writeLock().lock();  // 获取写锁

4. `volatile` 关键字

作用：确保变量的可见性（直接读写主内存），禁止指令重排序。
局限性：
- 不保证原子性（例如 volatile int i; i++ 仍需同步）。
- 无法解决复合操作的线程安全问题。
适用场景：适用于状态标志、单次写入多次读取的场景。

5. CAS（Compare-And-Swap）

原理：通过比较并替换的方式实现无锁同步。
问题：存在 ABA 问题（即一个值从 A 变为 B 又变回 A，CAS 无法察觉）。
解决方案：使用版本号或标记位来避免 ABA 问题。

6. Android 特有机制

Handler 与消息队列：通过单一线程的消息循环（如主线程的 Looper）实现隐式同步。
Atomic 原子类：如 AtomicInteger，基于 CAS（Compare-And-Swap）实现无锁线程安全操作。

二、Android 内存模型

Android 内存模型基于 Java 内存模型（JMM），但需要考虑 Dalvik/ART 虚拟机和设备硬件的特性。

1. Java 内存模型（JMM）核心概念

主内存与工作内存：
- 所有变量存储在主内存，线程操作的是工作内存中的副本。
- 线程间通信需通过主内存（volatile 变量直接读写主内存）。
Happens-Before 原则：
- 定义操作间的可见性顺序，如锁释放先于锁获取、volatile 写先于读等。

2. `volatile` 的内存语义

写操作：刷新到主内存，并使其他线程的工作内存中该变量失效。
读操作：从主内存重新加载。

3. Final 字段的特殊处理

正确构造的对象，其 final 字段对其他线程立即可见（无需同步）。

4. Android 内存管理的特殊性

ART 的优化：
- AOT（Ahead-Of-Time）编译优化可能影响内存访问顺序。
- 垃圾回收（GC）可能导致线程暂停（Stop-The-World）。
低内存设备限制：
- 需避免内存泄漏（如未注销的监听器），防止 OOM。

5. 多线程编程实践

避免锁竞争：
- 缩小同步块范围，使用 ConcurrentHashMap 等并发容器。
- 避免在同步块中调用外部方法（如网络请求）。
内存可见性：
- 优先使用 volatile 或原子类替代锁。
- 使用 ThreadLocal 存储线程私有数据。

三、常见问题与解决方案

1. 死锁

条件：互斥、持有并等待、不可剥夺、循环等待。
解决：按固定顺序获取锁，使用超时锁（tryLock()）。

2. ANR（应用无响应）

原因：主线程被同步锁或耗时操作阻塞。
解决：异步任务使用 AsyncTask、协程或 ExecutorService。

3. 内存泄漏

场景：非静态内部类持有外部类引用（如 Handler）。
解决：使用静态内部类 + 弱引用（WeakReference）。

四、对象头与锁

Java 对象在内存中的布局分为三部分：

对象头：
- Mark Word：存储对象的哈希码、GC 分代年龄、锁标志等信息。
- Klass Pointer：指向对象的类元数据。
- 数组长度（如果是数组对象）。
实例数据：存储对象的字段数据。
对齐填充：确保对象大小为 8 字节的倍数。

锁的状态信息存储在对象头的 Mark Word 中，根据锁的状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁），Mark Word 的内容会有所不同。

五、工具与调试

Android Profiler：监控线程状态和锁竞争。
StrictMode：检测主线程中的磁盘/网络操作。
锁的替换策略：在低竞争场景用 ReentrantLock，高竞争场景用读写锁。

Android 多线程与内存模型