一文掌握synchronized关键字的背后原理，揭秘并发编程的黑盒

探索 Synchronized Java 并发编程的基础

在 Java 多线程编程的世界中，synchronized 扮演着至关重要的角色。让我们深入了解它的起源、原理、特性和应用，以便有效地掌握这一基本工具。

Synchronized 的起源

synchronized 关键字诞生于 Java 1.0 时代，当时 Java 还是一种单线程语言。随着多线程编程的兴起，synchronized 关键字也变得不可或缺。在 Java 5 中，它获得了重大升级，引入了对可重入锁和公平锁的支持。

Synchronized 的语法

synchronized 关键字可以用于修饰方法、代码块或语句。当一个线程要访问 synchronized 修饰的代码块时，它必须先获取该代码块对应的锁，然后才能执行后面的代码。当线程完成对该代码块的执行后，它必须释放该锁，以便其他线程可以访问。

示例 1：

public class Counter {
    private int count = 0;

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

在这个示例中，increment() 方法被 synchronized 修饰，这意味着它每次只能被一个线程访问。这确保了 count 变量在并发访问下始终保持一致。

示例 2：

public synchronized void doSomething() {
    // 代码在此处执行，并且只有当前线程可以访问
}

Synchronized 的原理

synchronized 关键字的原理基于 Java 虚拟机的（JVM）内存模型和指令重排。JVM 的内存模型定义了线程之间共享变量访问的规则，而指令重排允许 JVM 重新排列指令的执行顺序。

当一个线程进入 synchronized 代码块时，JVM 会为该线程创建一个监视器（monitor）对象，并将它与该线程关联。当该线程退出 synchronized 代码块时，JVM 会释放该监视器对象。

其他线程在进入 synchronized 代码块之前，必须先获取与该代码块关联的监视器对象。如果该监视器对象已经被另一个线程持有，那么该线程必须等待，直到该线程释放监视器对象。

Synchronized 的特性

• 原子性： synchronized 关键字保证了对共享资源的访问是原子的，即要么全部执行，要么全部不执行。
• 可见性： synchronized 关键字确保了对共享资源的修改对其他线程是可见的。
• 有序性： synchronized 关键字确保了对共享资源的访问是有序的，即按照程序代码的执行顺序进行。

Synchronized 的应用场景

synchronized 关键字广泛应用于多线程编程中，包括：

• 保护共享资源：当多个线程同时访问同一个共享资源时，可以使用 synchronized 关键字来避免数据不一致。
• 同步线程：当多个线程需要按照一定的顺序执行时，可以使用 synchronized 关键字来实现线程同步。
• 控制线程并发数：当需要限制同时访问某个资源的线程数量时，可以使用 synchronized 关键字来控制线程并发数。

Synchronized 的优缺点

优点：

• 简单易用：synchronized 关键字的使用非常简单，只需要在需要同步的代码块前加上 synchronized 关键字即可。
• 性能好：synchronized 关键字的性能开销较低，对于大多数应用来说，它的性能开销是可以接受的。

缺点：

• 容易死锁：synchronized 关键字容易导致死锁，即两个或多个线程互相等待对方释放锁，从而导致程序无法继续执行。
• 性能瓶颈：如果对共享资源的访问过于频繁，则 synchronized 关键字可能会成为性能瓶颈。

结论

synchronized 关键字是 Java 并发编程中不可或缺的工具，它可以有效地协调多线程对共享资源的访问，确保线程安全和数据一致性。尽管它存在一些缺点，但凭借其简单性和较低的性能开销，synchronized 关键字仍然是解决并发编程问题的首选方案。

常见问题解答

1. synchronized 和 volatile 有什么区别？

   volatile 关键字保证了共享变量的可见性，但它不能保证原子性。synchronized 关键字不仅保证了可见性，还保证了原子性。

2. 如何避免 synchronized 关键字引起的死锁？

   避免死锁的一种方法是确保线程按相同顺序获取锁。另一种方法是使用 try-lock 语句来避免线程无限期等待锁。

3. 除了 synchronized 关键字，还有什么其他同步机制？

   Java 中还有其他同步机制，如 ReentrantLock、Semaphore 和原子类。

4. 在哪些情况下可以使用 synchronized 代码块代替 synchronized 方法？

   当需要对一个类中的多个方法进行同步时，使用 synchronized 代码块会更加灵活。

5. synchronized 关键字和 Java 8 中引入的 lock 关键字有什么区别？

   lock 关键字提供了比 synchronized 关键字更细粒度的锁控制，并且它还支持条件变量，这在某些并发编程场景中很有用。