深入探讨Synchronized用法，揭秘内存与指令重排序中的奥秘

在Java并发编程中，Synchronized扮演着至关重要的角色，它允许程序员控制共享资源的访问，从而确保并发程序的正确性和一致性。本文将深入探讨Synchronized的各种使用方法，以及它与内存屏障、指令重排序之间的复杂关系，并揭示一些影响并发程序性能的细节。

一、Synchronized的用法

1. 方法锁

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

方法锁是Synchronized最常用的用法之一，它通过在方法前加上synchronized关键字来实现对整个方法的同步。当一个线程进入一个同步方法时，其他线程将被阻塞，直到该线程执行完毕并退出方法。

2. 代码块锁

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

代码块锁允许程序员只对代码块中的特定部分进行同步。它通过在代码块之前使用synchronized (this)语句来实现。需要注意的是，代码块锁只能在同一个对象上使用，不能跨越多个对象。

3. 类锁

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

类锁是通过在静态方法或静态代码块前加上synchronized关键字来实现的。类锁的作用范围是整个类，这意味着当一个线程进入一个同步的静态方法或静态代码块时，其他线程将被阻塞，直到该线程执行完毕并退出。

二、Synchronized与内存屏障

内存屏障是一种编译器指令，它可以强制处理器按照一定的顺序执行指令。内存屏障与Synchronized关键字密切相关，因为Synchronized关键字本身就包含了一个内存屏障。

当一个线程进入一个同步块或方法时，处理器会自动在该线程的代码前后插入内存屏障。这确保了在进入同步块或方法之前，该线程对共享变量的修改对其他线程是可见的；而在退出同步块或方法之后，该线程对共享变量的修改对其他线程也是可见的。

三、Synchronized与指令重排序

指令重排序是处理器为了提高性能而对指令执行顺序进行调整的一种技术。指令重排序可能会导致并发程序出现意想不到的问题。

例如，考虑以下代码：

int x = 0;
int y = 0;

public synchronized void method() {
    x = 1;
    y = 2;
}

如果处理器对这两条指令进行重排序，则可能导致y的值在x的值被写入之前被读取。这将导致y的值永远为0，从而导致程序出现错误。

为了防止指令重排序带来的问题，可以使用Synchronized关键字或内存屏障来强制处理器按照一定的顺序执行指令。

四、Synchronized对性能的影响

Synchronized关键字是一个重量级的锁，它会对并发程序的性能产生一定的影响。这是因为Synchronized关键字会引起线程上下文切换，而线程上下文切换是比较耗时的。

因此，在使用Synchronized关键字时，应该尽量避免对共享资源进行频繁的访问。如果需要对共享资源进行频繁的访问，则可以使用更轻量级的锁，如ReentrantLock或StampedLock。

五、结语

Synchronized关键字是Java并发编程中必不可少的工具，它可以确保并发程序的正确性和一致性。但是，Synchronized关键字也会对并发程序的性能产生一定的影响。因此，在使用Synchronized关键字时，需要权衡性能与正确性的关系，并选择合适的锁类型和粒度。