深入解析Java中的synchronized关键字：原理与实践-易源易彩

摘要

本文旨在深入探讨Java编程语言中的synchronized关键字。通过提供实际的使用案例和深入分析其底层机制，文章将指导读者全面掌握synchronized的工作机制，并探讨其在日常软件开发中的实用价值。

关键词

Java, synchronized, 编程, 机制, 案例

一、一级目录1：synchronized概述

1.1 synchronized关键字的定义与作用

在多线程编程中，确保数据的一致性和完整性是一个至关重要的问题。Java编程语言提供了一个强大的工具——synchronized关键字，用于解决多线程环境下的并发问题。synchronized关键字的主要作用是确保同一时刻只有一个线程可以访问某个方法或代码块，从而避免了多个线程同时修改共享资源而导致的数据不一致问题。

synchronized关键字可以通过两种方式使用：方法同步和代码块同步。方法同步是指将整个方法标记为同步，而代码块同步则是指将特定的代码块标记为同步。无论是哪种方式，synchronized关键字都会在进入同步区域时获取一个锁，在退出同步区域时释放该锁。这种机制确保了在同一时刻只有一个线程能够执行同步代码，从而保证了数据的安全性。

1.2 synchronized的基本使用方式

方法同步

方法同步是最简单的使用方式，只需在方法声明前加上synchronized关键字即可。例如：

public class Counter {
    private int count = 0;

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

    public synchronized void decrement() {
        count--;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中，increment、decrement和getCount方法都被标记为同步方法。这意味着在同一时刻，只有一个线程可以调用这些方法中的任何一个。当一个线程进入同步方法时，它会自动获取对象的锁，其他试图进入该方法的线程将被阻塞，直到当前线程释放锁。

代码块同步

代码块同步提供了更细粒度的控制，允许开发者仅对特定的代码块进行同步。这种方式更加灵活，可以减少不必要的锁竞争，提高程序的性能。例如：

public class Counter {
    private int count = 0;
    private final Object lock = new Object();

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

    public void decrement() {
        synchronized (lock) {
            count--;
        }
    }

    public int getCount() {
        synchronized (lock) {
            return count;
        }
    }
}

在这个例子中，increment、decrement和getCount方法都包含了一个同步代码块。同步代码块使用一个显式的锁对象（lock），而不是整个方法。这种方式使得只有在操作共享资源时才会获取锁，从而减少了锁的竞争，提高了程序的并发性能。

通过以上两种方式，synchronized关键字为开发者提供了一种简单而有效的手段来处理多线程环境下的并发问题。无论是在小型项目还是大型系统中，合理使用synchronized关键字都能显著提高代码的健壮性和可靠性。

二、一级目录2：synchronized的工作原理

2.1 synchronized的底层实现机制

在深入了解synchronized关键字的工作原理之前，我们需要先了解一下Java虚拟机（JVM）中的监视器（Monitor）概念。监视器是一种同步机制，用于保护共享资源，确保同一时刻只有一个线程可以访问该资源。在Java中，每个对象都有一个内置的监视器，而synchronized关键字正是通过这些监视器来实现线程同步的。

当一个线程尝试进入一个由synchronized关键字保护的方法或代码块时，它首先需要获取该对象的监视器锁。如果该锁已经被其他线程持有，则当前线程将被阻塞，直到锁被释放。一旦线程成功获取到锁，它就可以进入同步区域并执行相应的代码。当线程离开同步区域时，它会释放锁，允许其他等待的线程获取锁并继续执行。

在JVM的实现中，监视器锁主要通过对象头中的Mark Word来管理。Mark Word中包含了对象的哈希码、分代年龄、锁标志位等信息。当一个对象被加锁时，Mark Word会被修改以记录锁的状态。具体来说，JVM支持多种锁状态，包括无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。这些锁状态的转换机制如下：

无锁状态：对象未被任何线程锁定。
偏向锁：当一个线程首次获取到对象锁时，JVM会将该锁设置为偏向锁，并记录下持有锁的线程ID。如果后续的锁请求来自同一个线程，JVM会直接将锁分配给该线程，而无需进行额外的同步操作。
轻量级锁：当多个线程竞争同一个锁时，JVM会将锁升级为轻量级锁。轻量级锁通过自旋的方式尝试获取锁，如果自旋成功则继续执行，否则将锁进一步升级为重量级锁。
重量级锁：当自旋失败且线程竞争激烈时，JVM会将锁升级为重量级锁。重量级锁会导致线程进入阻塞状态，等待锁被释放后重新竞争。

通过这些复杂的锁机制，synchronized关键字能够在不同的场景下高效地管理线程同步，确保数据的一致性和安全性。

2.2 synchronized如何保证线程安全

synchronized关键字通过以下几种方式确保线程安全：

互斥性：synchronized关键字确保同一时刻只有一个线程可以访问被保护的代码块或方法。当一个线程进入同步区域时，它会获取对象的锁，其他试图进入该区域的线程将被阻塞，直到当前线程释放锁。这种互斥性有效地防止了多个线程同时修改共享资源，从而避免了数据不一致的问题。
可见性：synchronized关键字不仅确保了互斥性，还保证了线程之间的可见性。当一个线程释放锁时，它会将所有对共享变量的修改刷新到主内存中。同样，当另一个线程获取锁时，它会从主内存中读取最新的变量值。这种机制确保了线程之间的数据一致性，避免了由于缓存导致的不一致问题。
有序性：synchronized关键字通过锁的获取和释放操作，确保了内存操作的有序性。在Java内存模型中，锁的获取和释放操作具有happens-before关系，即一个线程释放锁的操作一定发生在另一个线程获取锁之前。这种有序性保证了线程之间的操作顺序，避免了由于指令重排序导致的错误。

通过上述机制，synchronized关键字不仅能够有效地管理线程同步，还能确保数据的一致性和可见性，从而在多线程环境中提供可靠的线程安全保证。无论是简单的计数器类，还是复杂的并发数据结构，合理使用synchronized关键字都能显著提高代码的健壮性和可靠性。

三、一级目录3：synchronized案例解析

3.1 经典同步案例分析

在多线程编程中，synchronized关键字的应用非常广泛。为了更好地理解其实际效果，我们可以通过一些经典案例来深入分析。这些案例不仅展示了synchronized关键字的基本用法，还揭示了其在复杂场景下的应用技巧。

案例1：银行账户转账

假设有一个银行账户类 BankAccount，其中包含存款和取款的方法。在多线程环境下，如果不进行适当的同步处理，可能会导致账户余额出现不一致的情况。通过使用synchronized关键字，我们可以确保每次操作都是原子性的，从而避免数据冲突。

public class BankAccount {
    private double balance;

    public BankAccount(double initialBalance) {
        this.balance = initialBalance;
    }

    public synchronized void deposit(double amount) {
        if (amount > 0) {
            balance += amount;
            System.out.println("存入 " + amount + " 元，当前余额: " + balance);
        }
    }

    public synchronized void withdraw(double amount) {
        if (amount > 0 && amount <= balance) {
            balance -= amount;
            System.out.println("取出 " + amount + " 元，当前余额: " + balance);
        }
    }

    public synchronized double getBalance() {
        return balance;
    }
}

在这个例子中，deposit、withdraw 和 getBalance 方法都被标记为同步方法。这样，即使有多个线程同时尝试存取款，也能确保每次操作都是安全的，不会出现余额不一致的问题。

案例2：生产者-消费者模式

生产者-消费者模式是多线程编程中的经典问题之一。在这个模式中，生产者线程负责生成数据，消费者线程负责消费数据。为了确保数据的一致性和正确性，通常需要使用同步机制。synchronized关键字在这里发挥了重要作用。

public class Buffer {
    private int buffer = -1;
    private boolean empty = true;

    public synchronized void set(int value) {
        while (!empty) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
        buffer = value;
        empty = false;
        notifyAll();
    }

    public synchronized int get() {
        while (empty) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
        empty = true;
        notifyAll();
        return buffer;
    }
}

在这个例子中，set 和 get 方法都使用了synchronized关键字。生产者线程调用set方法时，如果缓冲区已满，则会进入等待状态；消费者线程调用get方法时，如果缓冲区为空，也会进入等待状态。通过这种方式，生产者和消费者可以安全地共享数据，避免了数据竞争和死锁问题。

3.2 synchronized在实战中的应用场景

在实际的软件开发中，synchronized关键字的应用场景非常丰富。以下是一些常见的应用场景，展示了synchronized关键字在不同领域的实际应用。

场景1：单例模式

单例模式是一种常用的对象创建模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在多线程环境下，确保单例的线程安全是非常重要的。synchronized关键字可以帮助我们实现这一点。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

在这个例子中，getInstance方法被标记为同步方法。这样，即使有多个线程同时调用getInstance方法，也只会创建一个实例，确保了单例的线程安全。

场景2：线程池任务调度

线程池是一种常用的并发编程技术，用于管理和复用线程资源。在实现线程池时，确保任务队列的线程安全非常重要。synchronized关键字可以帮助我们实现这一点。

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class ThreadPool {
    private final Queue<Runnable> taskQueue = new LinkedList<>();
    private final int maxPoolSize;
    private int currentPoolSize;

    public ThreadPool(int maxPoolSize) {
        this.maxPoolSize = maxPoolSize;
    }

    public synchronized void submit(Runnable task) {
        if (currentPoolSize < maxPoolSize) {
            WorkerThread worker = new WorkerThread();
            worker.start();
            currentPoolSize++;
        }
        taskQueue.add(task);
        notifyAll();
    }

    public synchronized Runnable take() throws InterruptedException {
        while (taskQueue.isEmpty()) {
            wait();
        }
        return taskQueue.poll();
    }

    private class WorkerThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                Runnable task = null;
                try {
                    task = take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                if (task != null) {
                    task.run();
                }
            }
        }
    }
}

在这个例子中，submit 和 take 方法都使用了synchronized关键字。submit方法用于提交任务，如果当前线程池中的线程数量小于最大线程数，则创建新的工作线程；take方法用于从任务队列中取出任务。通过这种方式，确保了任务队列的线程安全，避免了任务丢失和重复执行的问题。

通过这些实际应用场景，我们可以看到synchronized关键字在多线程编程中的重要性和实用性。无论是简单的单例模式，还是复杂的线程池任务调度，合理使用synchronized关键字都能显著提高代码的健壮性和可靠性。

四、一级目录4：synchronized的高级特性

4.1 synchronized的重入性

在多线程编程中，synchronized关键字的重入性是一个非常重要的特性。所谓重入性，指的是一个线程可以多次获取同一个锁，而不会发生死锁的情况。这一特性使得 synchronized关键字在复杂的多层调用中依然能够保持线程安全。

例如，考虑一个场景，一个方法A调用了另一个方法B，而这两个方法都需要同步。如果没有重入性，当方法A获取锁后调用方法B时，方法B会因为无法再次获取锁而陷入死锁。然而，synchronized关键字的重入性解决了这个问题，使得同一个线程可以多次获取同一个锁，而不会阻塞自己。

public class ReentrantExample {
    public synchronized void methodA() {
        System.out.println("Method A is called by " + Thread.currentThread().getName());
        methodB();
    }

    public synchronized void methodB() {
        System.out.println("Method B is called by " + Thread.currentThread().getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantExample example = new ReentrantExample();
        Thread thread = new Thread(() -> example.methodA(), "Thread-1");
        thread.start();
    }
}

在这个例子中，methodA和methodB都是同步方法。当methodA被调用时，它会获取对象的锁，然后调用methodB。由于methodB也是同步方法，它会再次尝试获取同一个锁。由于 synchronized关键字的重入性，methodB能够顺利获取锁并执行，而不会发生死锁。

4.2 synchronized的优化与性能提升

尽管 synchronized关键字在多线程编程中提供了强大的同步机制，但在某些高性能场景下，它的性能表现可能不尽如人意。幸运的是，Java虚拟机（JVM）对 synchronized关键字进行了多项优化，以提高其性能。

偏向锁

偏向锁是JVM的一种优化机制，旨在减少无竞争情况下的同步开销。当一个线程首次获取到对象锁时，JVM会将该锁设置为偏向锁，并记录下持有锁的线程ID。如果后续的锁请求来自同一个线程，JVM会直接将锁分配给该线程，而无需进行额外的同步操作。这种机制大大减少了锁的获取和释放开销，提高了程序的性能。

轻量级锁

当多个线程竞争同一个锁时，JVM会将锁升级为轻量级锁。轻量级锁通过自旋的方式尝试获取锁，如果自旋成功则继续执行，否则将锁进一步升级为重量级锁。自旋锁的优点在于它可以在短时间内快速获取锁，避免了线程切换的开销。然而，如果自旋时间过长，自旋锁会退化为重量级锁，导致线程进入阻塞状态。

锁消除

锁消除是JVM的一种编译期优化技术，它通过逃逸分析来确定对象是否会被多个线程共享。如果确定一个对象不会被多个线程共享，JVM会消除对该对象的锁操作，从而减少不必要的同步开销。这种优化对于局部变量和方法内部的对象特别有效。

锁粗化

锁粗化是另一种JVM的优化技术，它通过将多个连续的锁操作合并为一个锁操作，减少锁的获取和释放次数。这种优化特别适用于循环中的同步操作，可以显著提高程序的性能。

通过这些优化机制， synchronized关键字在不同的场景下都能表现出良好的性能。无论是简单的同步需求，还是复杂的多线程应用，合理利用这些优化技术都能显著提升程序的并发性能和响应速度。

五、一级目录5：synchronized与其他同步机制的对比

5.1 synchronized与volatile的区别

在多线程编程中，synchronized和volatile是两个常用的同步机制，它们各自有不同的用途和特点。了解它们之间的区别，有助于开发者在不同的场景下选择合适的工具，确保程序的正确性和性能。

互斥性 vs 可见性

synchronized关键字主要用于确保互斥性，即在同一时刻只有一个线程可以访问被保护的代码块或方法。这通过获取和释放对象的锁来实现。例如，当一个线程进入同步方法时，它会获取对象的锁，其他试图进入该方法的线程将被阻塞，直到当前线程释放锁。这种机制有效地防止了多个线程同时修改共享资源，从而避免了数据不一致的问题。

相比之下，volatile关键字主要用于确保可见性，即一个线程对共享变量的修改能够立即被其他线程看到。volatile变量的写操作会强制将修改后的值刷新到主内存，而读操作会从主内存中读取最新的值。这种机制确保了线程之间的数据一致性，但并不提供互斥性。因此，volatile不能替代 synchronized来解决竞态条件问题。

性能差异

synchronized关键字在早期的Java版本中性能较差，因为它涉及到操作系统级别的线程调度和上下文切换。然而，随着JVM的不断优化， synchronized的性能已经有了显著提升。例如，JVM引入了偏向锁、轻量级锁和锁粗化等优化机制，使得 synchronized在大多数情况下都能表现出良好的性能。

volatile关键字的性能通常优于 synchronized，因为它不需要获取和释放锁，而是通过内存屏障来确保可见性。然而，volatile的适用范围有限，只能用于简单的变量读写操作，不能用于复杂的同步逻辑。

使用场景

synchronized适用于需要确保互斥性和可见性的场景，例如银行账户转账、生产者-消费者模式等。在这些场景中， synchronized可以确保每次操作都是原子性的，避免数据冲突。

volatile适用于需要确保可见性但不需要互斥性的场景，例如状态标志、事件通知等。在这些场景中，volatile可以确保一个线程对变量的修改能够立即被其他线程看到，而不会产生竞态条件。

5.2 synchronized与ReentrantLock的比较

synchronized关键字和ReentrantLock都是Java中常用的同步机制，它们都提供了互斥性和可见性保障。然而，两者在实现方式、灵活性和性能方面存在一些差异，了解这些差异有助于开发者在不同的场景下做出合适的选择。

实现方式

synchronized关键字是基于JVM的内置锁机制实现的，使用起来非常简单。只需要在方法或代码块前加上synchronized关键字即可。例如：

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

ReentrantLock是Java并发包（java.util.concurrent.locks）中的一个类，提供了比 synchronized更丰富的功能。使用ReentrantLock需要显式地获取和释放锁，例如：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void method() {
    lock.lock();
    try {
        // 同步代码块
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

灵活性

ReentrantLock相比 synchronized提供了更多的灵活性。例如，ReentrantLock支持公平锁和非公平锁，可以根据需要选择锁的获取策略。公平锁会按照请求锁的顺序来分配锁，而非公平锁则允许插队，提高吞吐量。此外，ReentrantLock还支持可中断锁等待和超时锁等待，使得开发者能够更精细地控制线程的行为。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock(false); // 非公平锁

public void method() {
    if (nonFairLock.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
        try {
            // 同步代码块
        } finally {
            nonFairLock.unlock();
        }
    } else {
        // 处理超时情况
    }
}

性能

在早期的Java版本中， synchronized的性能较差，因为它涉及到操作系统级别的线程调度和上下文切换。然而，随着JVM的不断优化， synchronized的性能已经有了显著提升。例如，JVM引入了偏向锁、轻量级锁和锁粗化等优化机制，使得 synchronized在大多数情况下都能表现出良好的性能。

ReentrantLock的性能通常优于 synchronized，尤其是在高竞争的情况下。ReentrantLock通过自旋锁和可中断锁等待等机制，减少了线程的阻塞时间，提高了程序的并发性能。

使用场景

synchronized适用于简单的同步需求，例如单例模式、银行账户转账等。在这些场景中， synchronized的简单易用性使其成为一个不错的选择。

ReentrantLock适用于复杂的同步需求，例如线程池任务调度、并发数据结构等。在这些场景中，ReentrantLock的灵活性和高性能使其成为更好的选择。

通过对比 synchronized和ReentrantLock，我们可以看到它们各有优势和适用场景。合理选择和使用这些同步机制，能够显著提高程序的健壮性和性能。无论是简单的同步需求，还是复杂的并发编程，开发者都应该根据实际情况选择合适的工具，确保程序的正确性和高效性。

六、一级目录6：日常开发中的synchronized实践

6.1 如何避免死锁

在多线程编程中，死锁是一个常见的问题，它会导致程序停滞不前，严重影响系统的稳定性和性能。死锁的发生通常是由于多个线程互相等待对方持有的资源而无法继续执行。为了避免死锁，开发者需要采取一系列有效的措施，确保线程之间的资源分配和同步机制设计得当。

1. 资源分级

资源分级是一种常见的避免死锁的方法。通过为资源分配一个唯一的等级，确保线程总是按顺序获取资源，可以有效避免死锁的发生。例如，假设有两个资源A和B，我们可以规定线程必须先获取A，再获取B。这样，即使多个线程同时竞争这两个资源，也不会出现死锁的情况。

public class ResourceLocker {
    private final Object resourceA = new Object();
    private final Object resourceB = new Object();

    public void accessResources() {
        synchronized (resourceA) {
            // 访问资源A
            synchronized (resourceB) {
                // 访问资源B
            }
        }
    }
}

2. 超时机制

使用超时机制可以避免线程无限期地等待资源。通过设置一个合理的超时时间，如果线程在指定时间内无法获取到所需的资源，它可以放弃等待并进行其他操作。这种方式不仅避免了死锁，还可以提高系统的响应速度。

public class TimeoutLocker {
    private final ReentrantLock lockA = new ReentrantLock();
    private final ReentrantLock lockB = new ReentrantLock();

    public void accessResources() {
        boolean acquiredA = false;
        boolean acquiredB = false;

        try {
            acquiredA = lockA.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
            acquiredB = lockB.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);

            if (acquiredA && acquiredB) {
                // 访问资源A和B
            } else {
                // 处理超时情况
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            if (acquiredA) {
                lockA.unlock();
            }
            if (acquiredB) {
                lockB.unlock();
            }
        }
    }
}

3. 死锁检测

在某些复杂的应用场景中，手动避免死锁可能非常困难。此时，可以采用死锁检测算法来动态检测和解除死锁。常见的死锁检测算法包括银行家算法和资源分配图算法。这些算法可以在运行时检测到死锁的发生，并采取相应的措施，如回滚某些操作或终止某些线程，以解除死锁。

6.2 synchronized在项目中的应用策略

在实际的项目开发中，合理使用synchronized关键字可以显著提高代码的健壮性和可靠性。然而，过度使用或不当使用synchronized也可能导致性能下降和死锁等问题。因此，开发者需要根据项目的具体需求，制定合理的应用策略。

1. 选择合适的同步粒度

同步粒度是指同步代码块的大小。一般来说，同步粒度越小，程序的并发性能越高。因此，开发者应尽量减少同步代码块的范围，只对必要的部分进行同步。例如，可以使用代码块同步而不是方法同步，以减少不必要的锁竞争。

public class FineGrainedSynchronization {
    private int count = 0;
    private final Object lock = new Object();

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

    public void decrement() {
        synchronized (lock) {
            count--;
        }
    }

    public int getCount() {
        synchronized (lock) {
            return count;
        }
    }
}

2. 利用锁优化技术

JVM对synchronized关键字进行了多项优化，如偏向锁、轻量级锁和锁粗化等。开发者应充分利用这些优化技术，提高程序的性能。例如，对于频繁访问但竞争不激烈的资源，可以使用偏向锁来减少锁的获取和释放开销。

3. 结合其他同步机制

在某些复杂的应用场景中，仅靠synchronized关键字可能无法满足所有的同步需求。此时，可以结合使用其他同步机制，如ReentrantLock、Semaphore和CountDownLatch等。这些机制提供了更丰富的功能和更高的灵活性，可以更好地满足项目的需求。

public class CombinedSynchronization {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public void criticalSection() {
        lock.lock();
        try {
            semaphore.acquire();
            try {
                // 执行关键操作
            } finally {
                semaphore.release();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

4. 代码审查和测试

在项目开发过程中，定期进行代码审查和测试是确保同步机制正确性的有效手段。通过代码审查，可以发现潜在的同步问题和性能瓶颈；通过测试，可以验证同步机制的实际效果，确保程序在多线程环境下的稳定性和可靠性。

总之，合理使用synchronized关键字和其他同步机制，结合项目的特点和需求，制定科学的应用策略，是提高多线程程序性能和可靠性的关键。希望本文的分析和建议能够帮助开发者在实际开发中更好地应对多线程编程的挑战。

七、总结

本文深入探讨了Java编程语言中的synchronized关键字，通过实际的使用案例和对其底层机制的详细分析，全面介绍了synchronized的工作原理及其在日常软件开发中的实用价值。synchronized关键字通过互斥性、可见性和有序性确保了线程安全，适用于多种多线程场景，如银行账户转账、生产者-消费者模式和单例模式等。此外，本文还讨论了synchronized的高级特性，如重入性和JVM的优化机制，以及与其他同步机制（如volatile和ReentrantLock）的对比。最后，本文提供了避免死锁的策略和在项目中合理应用synchronized的关键建议。通过这些内容，读者可以更好地理解和应用synchronized关键字，提高多线程程序的性能和可靠性。