深入解析Java synchronized关键字的使用与原理

Java中的synchronized关键字是实现线程同步的机制之一，它用于控制对共享资源的并发访问，以防止多个线程同时操作同一资源而引发数据不一致或者系统不稳定的问题。下面将详细介绍synchronized关键字的工作原理、使用方法以及相关的最佳实践。 ### synchronized关键字概述 synchronized是Java提供的一个同步控制的关键字，它能够保证同一时刻只有一个线程可以执行某个方法或者代码块。使用synchronized修饰的代码块或方法，在执行时会锁定相关的对象实例或类。 ### 使用方法 synchronized可以用于实例方法和静态方法，也可以用于代码块中。 1. **实例方法同步**： 当synchronized修饰某个实例方法时，锁定的是调用这个方法的对象实例。 ```java public synchronized void synchronizedMethod() { // 同步代码块 } ``` 在这种情况下，当一个线程调用此方法时，其他线程将无法同时调用此对象的任何其他synchronized方法。 2. **静态方法同步**： 当synchronized修饰静态方法时，锁定的是当前类的Class对象。 ```java public static synchronized void staticSynchronizedMethod() { // 同步代码块 } ``` 此时，无论哪个实例调用该静态同步方法，都会锁定整个类，即整个类的静态方法在任何时候只能有一个线程执行。 3. **代码块同步**： 也可以使用synchronized关键字来修饰代码块，而不是整个方法。同步代码块需要一个明确的对象作为锁。 ```java public void someMethod() { Object lock = ...; // 锁对象 synchronized(lock) { // 同步代码块 } } ``` 这样，同一时刻只有一个线程可以进入这个代码块，并执行其中的代码。 ### 工作原理 synchronized通过JVM的内置锁（monitor）来实现同步，这是一种互斥锁（也称为排他锁）。当线程进入synchronized代码块时，会自动尝试获取与锁对象关联的monitor。如果此时锁已被其他线程持有，那么进入的线程将被阻塞，直到锁被释放。锁释放通常发生在代码块执行完毕（即线程离开同步代码块）时。 ### 锁的级别 在synchronized中，锁的粒度可以分为对象锁和类锁两个级别： - **对象锁**：实例方法同步和代码块同步通常使用的是对象锁，锁定的是对象实例。 - **类锁**：静态方法同步使用的类锁，锁定的是对应的类。 ### 锁优化 在Java虚拟机（JVM）中，为了减少获取和释放锁带来的性能开销，引入了多种锁优化技术，例如： - **偏向锁（Biased Locking）**：偏向锁是为了消除无竞争情况下的同步开销，它会偏向第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将不需要进行同步。 - **轻量级锁（Lightweight Locking）**：当一个线程尝试获取锁时，JVM首先会用轻量级锁进行尝试，它通过在对象的头信息中存储一个指向锁记录的指针来避免使用monitor。 - **自旋锁（Spin Lock）**：当线程在获取轻量级锁的过程中，如果锁竞争激烈，线程不会立即进入阻塞状态，而是采用循环自旋的方式等待获取锁。 ### synchronized与ReentrantLock synchronized是Java语言内置的关键字，而ReentrantLock是Java并发包中提供的一个显式锁的实现。ReentrantLock提供了更灵活的锁定机制，例如尝试非阻塞地获取锁、可中断的锁获取操作以及可以公平地获取锁。ReentrantLock通常比synchronized有更高的灵活性，但是synchronized使用起来更简单，且在大多数情况下足够用了。 ### 最佳实践 在使用synchronized关键字时，应遵循以下最佳实践： - **尽量缩小同步范围**：应该只在需要同步的代码块上使用synchronized，避免不必要的性能损失。 - **避免使用String作为锁对象**：因为字符串常量可能会被JVM预先创建并复用，导致出现意外的锁行为。 - **注意锁的释放**：确保在所有可能的执行路径上，锁都能被正确释放，避免死锁。 - **选择合适的锁类型**：对象锁和类锁的选择应根据实际需求和并发特性进行。 ### 总结 synchronized关键字是Java中保证线程安全的基础工具之一，它简单易用，但也有一定的性能开销。了解其工作原理和适用场景是编写高效多线程程序的重要基础。随着Java并发包中的其他锁机制的完善，我们可以根据具体需求选择合适的同步工具来构建线程安全的系统。