Java中的synchronized关键字实现原理及使用方式

在多线程编程中，保证线程安全是至关重要的。Java提供了synchronized关键字作为一种简单而有效的同步机制，用于控制多个线程对共享资源的访问。本文将详细解析synchronized的实现原理、使用方式以及优化策略。

1. synchronized的基本概念

1.1 什么是synchronized

synchronized是Java中的关键字，用于实现线程同步，确保多个线程在访问共享资源时的互斥性。它可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或代码块，从而避免数据不一致的问题。

1.2 为什么需要synchronized

在多线程环境下，如果多个线程同时访问和修改共享数据，可能会导致数据不一致的问题。例如：

public class Counter {
    private int count = 0;
    public void increment() {
        count++; // 非原子操作
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

count++看似是一个操作，但实际上包含三个步骤：

1. 读取count的当前值
2. 将值加1
3. 将新值写回count

如果没有同步机制，多个线程可能同时执行这些步骤，导致结果不符合预期。

2. synchronized的三种使用方式

2.1 同步实例方法

public synchronized void increment() {
    count++;
}

当synchronized修饰实例方法时，锁对象是当前实例（this）。同一时刻，同一个实例的同步实例方法只能被一个线程访问。

2.2 同步静态方法

public static synchronized void staticIncrement() {
    staticCount++;
}

当synchronized修饰静态方法时，锁对象是当前类的Class对象。同一时刻，该类的所有同步静态方法只能被一个线程访问。

2.3 同步代码块

public void increment() {
    synchronized(this) {
        count++;
    }
}
// 或者使用其他对象作为锁
private final Object lock = new Object();
public void incrementWithLock() {
    synchronized(lock) {
        count++;
    }
}

同步代码块可以更精细地控制同步范围，减少锁的粒度，提高性能。

3. synchronized的实现原理

3.1 对象头与Monitor

在JVM中，每个对象都包含一个对象头，其中存储了与锁相关的信息。对象头主要包括：

• Mark Word：存储对象的哈希码、分代年龄、锁标志位等
• Klass Pointer：指向对象所属类的元数据

当使用synchronized时，JVM会根据锁标志位来判断锁的状态。

3.2 Monitor机制

synchronized的实现依赖于Monitor（监视器）机制。每个Java对象都与一个Monitor相关联，Monitor是线程同步的基本工具。

Monitor的基本结构包含：

• Owner：持有该Monitor的线程
• EntryList：处于阻塞状态的线程队列
• WaitSet：处于等待状态的线程队列

3.3 锁的升级过程

为了平衡性能与安全性，Java中的锁有几种状态，并且可以根据竞争情况升级：

无锁状态

对象刚创建时，处于无锁状态。

偏向锁

当第一个线程访问同步块时，会升级为偏向锁。此时会在对象头和栈帧中记录偏向的线程ID。以后该线程进入同步块时，不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单测试一下对象头的Mark Word是否指向当前线程。

轻量级锁

当有第二个线程尝试获取锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。线程会通过CAS操作在栈帧中创建锁记录（Lock Record），并将对象头的Mark Word复制到锁记录中，然后尝试用CAS将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。

重量级锁

当轻量级锁竞争激烈时（多个线程同时竞争），会升级为重量级锁。此时未获取到锁的线程会进入阻塞状态，需要操作系统的介入来进行线程调度。

4. synchronized的底层实现

4.1 字节码层面

从字节码角度来看，synchronized同步代码块是通过monitorenter和monitorexit指令实现的：

public void method() {
    synchronized(obj) {
        // 同步代码块
    }
}

对应的字节码：

0: aload_1           // 将obj引用压入栈顶
1: dup               // 复制栈顶值
2: astore_2          // 将复制的引用存储到局部变量表
3: monitorenter      // 进入监视器
4: aload_2           // 将obj引用压入栈顶
5: monitorexit       // 退出监视器（正常退出）
6: goto 14
9: astore_3          // 异常处理开始
10: aload_2          // 将obj引用压入栈顶
11: monitorexit      // 退出监视器（异常退出）
12: aload_3
13: athrow
14: return           // 方法返回

4.2 内存语义

synchronized具有以下内存语义：

1. 进入同步块：将工作内存中的共享变量清空，从主内存重新加载
2. 退出同步块：将工作内存中的修改刷新到主内存

这保证了可见性和有序性，遵循happens-before原则。

5. synchronized的特性

5.1 原子性

synchronized保证了被它修饰的代码块或方法是原子操作的。一次只有一个线程可以执行同步代码，不会被打断。

5.2 可见性

当线程释放锁时，JMM会将工作内存中的共享变量刷新到主内存中。当线程获取锁时，JMM会使该线程的工作内存无效，从主内存重新加载共享变量。

5.3 有序性

synchronized通过"一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作"来保证有序性。同时，由于as-if-serial语义，同步代码块内的指令可以重排序，但不会影响执行结果。

5.4 可重入性

synchronized是可重入锁，同一个线程可以多次获取同一把锁：

public class ReentrantExample {
    public synchronized void method1() {
        method2(); // 可以再次获取锁
    }
    public synchronized void method2() {
        // 方法实现
    }
}

6. synchronized的优化策略

6.1 自旋锁与自适应自旋

为了避免线程在获取锁失败时直接进入阻塞状态（涉及操作系统内核态切换，开销大），JVM引入了自旋锁。

自旋锁的原理是：当线程获取锁失败时，不立即阻塞，而是执行一个空循环（自旋），在一定次数内尝试重新获取锁。如果自旋期间锁被释放，则可以避免线程阻塞。

自适应自旋是自旋锁的优化，自旋时间不再固定，而是根据前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定。

6.2 锁消除

JVM在JIT编译时，通过逃逸分析技术，判断同步块使用的锁对象是否只被一个线程访问。如果是，则会消除这个同步操作。

public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}

在JDK 5之后，字符串连接会自动转换为StringBuilder操作，而StringBuilder的append方法是同步的。但由于局部变量StringBuilder不会逃逸出方法，JVM会消除这些同步操作。

6.3 锁粗化

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，JVM会将锁的同步范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部，减少不必要的锁获取和释放。

public void method() {
    for(int i = 0; i < 100; i++) {
        synchronized(this) {
            // 操作
        }
    }
}

JVM可能会将锁粗化为：

public void method() {
    synchronized(this) {
        for(int i = 0; i < 100; i++) {
            // 操作
        }
    }
}

7. synchronized的注意事项

7.1 性能考虑

虽然现代JVM对synchronized做了大量优化，但在高并发场景下，它仍然可能成为性能瓶颈。需要考虑：

1. 减少同步代码块的执行时间
2. 降低锁的粒度（使用更细粒度的锁）
3. 考虑使用并发容器或其他并发工具

7.2 死锁问题

synchronized可能导致死锁，即两个或多个线程互相等待对方释放锁：

// 线程1
synchronized(objA) {
    synchronized(objB) {
        // 操作
    }
}
// 线程2
synchronized(objB) {
    synchronized(objA) {
        // 操作
    }
}

避免死锁的策略：

1. 按固定顺序获取锁
2. 使用定时锁（tryLock）
3. 避免嵌套锁

7.3 与Lock的比较

与java.util.concurrent.locks.Lock相比，synchronized有以下特点：

8. 实际应用示例

8.1 线程安全的单例模式

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

8.2 生产者-消费者模式

public class Buffer {
    private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private final int capacity;
    public Buffer(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }
    public synchronized void produce(int value) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) {
            wait();
        }
        queue.add(value);
        notifyAll();
    }
    public synchronized int consume() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait();
        }
        int value = queue.poll();
        notifyAll();
        return value;
    }
}

9. 总结

synchronized是Java中实现线程同步的基本工具，它提供了简单而有效的互斥机制。随着JVM的发展，synchronized的性能已经得到了显著提升，在许多场景下可以满足性能要求。

然而，在高并发场景下，开发人员仍需谨慎使用synchronized，考虑锁的粒度、竞争情况以及可能的替代方案。理解synchronized的实现原理和优化策略，有助于编写出更高效、更安全的并发程序。

在实际开发中，应根据具体需求选择合适的同步机制，平衡性能、复杂性和可维护性。

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