第2章 Java与Native线程同步基础：synchronized、ReentrantLock、Condition、Mutex、读写锁

SystemUI作为系统持久层界面，运行空间横跨Java（SystemServer/SystemUI）、Native（SurfaceFlinger/渲染线程）以及JNI中继层。任何一个同步原语使用不当，都可能导致UI线程阻塞、通知面板卡顿甚至系统重启。本章从Java和Native两个维度对比核心同步原语，建立跨语言“翻译”能力，为后续分析Binder调度与线程死锁夯实基础。

2.1 Java层同步原语

SystemUI中大量使用Java同步机制保护通知集合、面板状态等共享对象。理解其底层的“锁升级”过程对性能调优至关重要。

• synchronized：基于对象Monitor实现。JVM偏向锁→轻量锁（CAS自旋）→重量锁（挂起线程）。适合临界区小、竞争低的场景。
• ReentrantLock：基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现。支持公平/非公平、可中断、多Condition绑定。SystemUI中较复杂的状态保护常用此锁。
• Condition：必须与ReentrantLock配合使用。经典生产者-消费者模式，提供await()/signal()/signalAll()，比Object.wait()更灵活且支持超时。
• ReentrantReadWriteLock：读读不互斥，读写/写写互斥。适用于读多写少的场景（如常量配置、缓存数据）。

2.2 Native层同步原语

SystemUI的渲染管线（RenderThread）与部分系统服务（SurfaceFlinger、InputFlinger）运行在Native层。JNI临界区操作也直接依赖这些原语。

• std::mutex / pthread_mutex_t：C++11标准封装，底层调用futex快速路径。建议配合std::lock_guard或std::unique_lock实现RAII管理。
• std::condition_variable：必须与std::unique_lock<std::mutex>配合。wait()自动解锁并在唤醒时重新加锁，有效避免信号丢失。
• pthread_rwlock_t：读写锁Native实现。需注意其偏向写者，在某些实现中可能造成读者饥饿。

2.3 核心对比表：synchronized vs ReentrantLock vs std::mutex

2.4 跨语言映射与JNI临界区实战

在SystemUI开发中，JNI临界区是跨语言死锁的重灾区。Java通过JNI调用Native函数时，如果Native函数需要获取Java对象的Monitor，就必须使用MonitorEnter/MonitorExit。反之，Native代码回调Java方法时，也容易在Java层造成意外阻塞。

Java端典型使用：SystemUI中的任务队列等待

public class TaskCompletionController {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition allTasksDone = lock.newCondition();
    private int pendingTaskCount = 0;

    public void waitForCompletion(long timeoutMs) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (pendingTaskCount > 0) {
                if (!allTasksDone.await(timeoutMs, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                    throw new RuntimeException("任务执行超时");
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void onTaskFinished() {
        lock.lock();
        try {
            if (--pendingTaskCount == 0) {
                allTasksDone.signalAll();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

Native端等价的实现方式：

class TaskCompletionController {
public:
    void waitForCompletion(std::chrono::milliseconds timeout) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
        while (pending_task_count_ > 0) {
            if (cv_.wait_for(lock, timeout) == std::cv_status::timeout) {
                throw std::runtime_error("任务执行超时");
            }
        }
    }

    void onTaskFinished() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
        if (--pending_task_count_ == 0) {
            cv_.notify_all();
        }
    }
private:
    std::mutex mtx_;
    std::condition_variable cv_;
    int pending_task_count_ = 0;
};

2.5 调试与排查要点

• Java线程转储：kill -3 PID 或 adb shell dumpsys activity service SystemUIService，直接显示锁等待链。
• Native奔溃分析：debuggerd -b PID 可打印Native线程堆栈与锁持有信息（需要开启libc.debug.malloc）。
• Perfetto / Systrace：通过adb shell perfetto追踪futex系统调用，识别高竞争锁热点。
• 常见日志关键字：Waiting on condition、held by thread、monitor contention、blocked on lock。