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深入理解 Java 中的 synchronized 关键字

news 来源：原创 2025/4/24 3:30:44

1.基本概念

什么是 synchronized？

可重入性

2. 使用场景

2.1 实例方法同步

2.2 静态方法同步

2.3 代码块同步

3.锁机制

3.1 对象锁 vs 类锁

3.2 锁升级机制

3.3 自适应自旋锁

自旋锁

自适应自旋锁

3.4 锁消除与锁粗化

4.注意事项

4.1 避免过度同步

4.2 理解锁的升级过程

4.3 注意死锁问题

4.4 考虑使用更高级别的并发工具

在多线程编程中，确保数据的一致性和正确性是至关重要的。Java 提供了多种机制来实现这一点，其中最基础和常用的便是 synchronized 关键字。本文将详细介绍 synchronized 的各个方面，包括其基本概念、用法、锁升级机制以及一些高级特性和优化策略。

1.基本概念

什么是 `synchronized`？

synchronized 是 Java 中用于控制多个线程对共享资源访问的关键字。它通过提供互斥锁（mutex lock）机制，确保在同一时刻只有一个线程可以执行同步代码块或方法，从而避免了数据竞争问题。

可重入性

synchronized 支持可重入性，这意味着如果一个线程已经获得了某个对象的锁，它可以再次获取该锁而不会被阻塞。这使得递归调用同步方法成为可能。

2. 使用场景

2.1 实例方法同步

当需要保证一个对象的实例方法在多线程环境下安全执行时，可以使用 synchronized 来修饰方法。

public synchronized void method() {// 方法体
}

2.2 静态方法同步

当需要保证一个类的所有对象在多线程环境下安全执行某个静态方法时，可以使用 synchronized 来修饰静态方法。

public static synchronized void staticMethod() {// 方法体
}

2.3 代码块同步

当只需要同步某段代码而不是整个方法时，可以使用同步代码块。这种方式比同步方法更细粒度，性能更好。

synchronized (lockObject) {// 需要同步的代码块
}

3.锁机制

Java 中的 synchronized 关键字通过内置的监视器锁（Monitor Lock）机制来实现线程同步。每个 Java 对象都有一个与之关联的监视器锁，当一个线程试图进入被 synchronized 修饰的方法或代码块时，它必须首先获得该对象的监视器锁。

3.1 对象锁 vs 类锁

实例锁：对于非静态方法或使用当前实例作为锁对象的同步代码块，锁是针对每个对象的实例的。这意味着如果两个线程分别操作不同的对象实例，它们不会相互阻塞。
```
public synchronized void instanceMethod() {// 同步代码块
}
```
类锁：对于静态方法或使用 .class 对象作为锁对象的同步代码块，锁是针对整个类的 Class 对象的。所有对象共享同一个锁，因此即使是对不同对象实例的操作，只要涉及到相同的静态方法或类级别的同步代码块，它们也会相互阻塞。
```
public static synchronized void staticMethod() {// 同步代码块
}
```

3.2 锁升级机制

为了优化 synchronized 的性能，JVM 引入了锁升级的概念，这包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁三种状态

偏向锁：在没有竞争的情况下，偏向锁会将锁定的对象与线程相关联，这样当同一个线程再次尝试获取同一把锁时，就不需要进行额外的同步过程。这是为了减少无竞争情况下的锁开销。
轻量级锁：当另一个线程尝试获取已经被偏向的锁时，锁会升级为轻量级锁。此时，JVM 使用 CAS（Compare and Swap）操作来尝试获取锁，而不是立即挂起线程。如果轻量级锁竞争失败，可能会进一步升级为重量级锁。
重量级锁：当多个线程频繁竞争同一把锁时，JVM 会将锁升级为重量级锁。此时，JVM 依赖于操作系统的互斥量（mutex lock）来管理锁的竞争，这通常会导致较高的上下文切换成本，因为线程会被挂起直到锁可用。

3.3 自适应自旋锁

自旋锁

自旋锁是一种基于忙等待（busy-waiting）机制的锁实现方式。当一个线程尝试获取已经被其他线程占用的锁时，它不会立即进入阻塞状态，而是通过循环的方式不断检查锁是否可用。这种方式适用于锁被持有的时间非常短暂的情况，因为它可以避免线程上下文切换带来的额外开销。然而，如果锁被长时间持有，自旋锁会导致CPU资源浪费，因为线程会持续占用处理器进行无效的轮询。

自适应自旋锁

为了克服传统自旋锁的局限性，并更好地平衡性能与资源消耗，JVM引入了自适应自旋锁机制。这一机制是轻量级锁阶段的一种优化策略，其主要特点如下：

动态调整自旋时间：自适应自旋锁根据前一次自旋等待的成功率来决定当前自旋的时间长度。如果上次自旋最终成功获得了锁，那么这次自旋可能会允许更长的时间，假设锁很快会被释放。反之，如果上次自旋没有成功，则可能缩短自旋时间或直接放弃自旋。
减少上下文切换：通过合理使用自旋，可以在一定程度上减少线程从运行状态到阻塞状态再到运行状态的转换次数，从而降低上下文切换的成本。

这种机制特别适合那些锁竞争不是特别激烈、锁持有时间较短的应用场景。对于锁持有时间较长或者竞争激烈的场景，自适应自旋锁同样可能无法避免线程的阻塞，因此在这种情况下，考虑使用其他同步工具如ReentrantLock等可能是更好的选择。

总的来说，自适应自旋锁机制体现了JVM在处理多线程同步问题上的智能化趋势，它能够根据应用程序的实际运行情况自动调整锁的行为，以达到优化性能的目的。这种机制无需开发者手动配置，增加了开发的便捷性和程序的可维护性。