多线程（13）Synchronized关键字的工作原理

短命女 2024-04-24 23:08 69阅读 0赞

`synchronized`关键字是Java语言提供的基本同步机制，确保了在多线程环境中共享资源的一致性和线程安全。`synchronized`可用于修饰方法或代码块，而其工作原理是基于内部锁（intrinsic lock）或监视器锁（monitor lock）的概念。当一个线程访问同步代码时，它会自动获取与对象或类相关联的内部锁，并在访问结束时释放锁。这种机制确保了在任何时候，最多只有一个线程能够执行由相同锁保护的代码块。

以下是`synchronized`关键字的深入分析。

#### 获取和释放锁 ####

当代码进入一个`synchronized`方法或代码块，当前执行线程会尝试获取锁。

*  **对于实例方法**，锁是与对象的实例相关联的。
 *  **对于静态同步方法**，锁是与对象的Class对象相关联的。
 *  **对于同步代码块**，锁是括号内指定的对象。

一旦获取了锁，进入同步代码的线程将独占访问权，直到它退出同步代码区域，无论是通过正常执行完成，返回，或者抛出异常。当线程离开时，锁被释放，其他线程可以获取该锁。

#### Java内存模型（JMM） ####

Java内存模型定义了线程如何以及何时可以看到其他线程修改过后的共享变量的值，以及如何同步访问共享变量。使用`synchronized`关键字保证了同一时刻，只有一个线程能执行某个方法或代码块，同时确保了该方法或代码块内的所有变量都由主内存读取。

#### 重入 ####

Java锁是可重入的，这意味着同一个线程可以多次获取同一个锁。Java环境允许一个线程进入它已经拥有的锁的另一个`synchronized`块。这避免了在递归调用或者在调用另一个同步方法时造成死锁。

#### 锁的状态 ####

Java锁可以处于以下几种状态：

*  **无锁状态**：对象尚未被线程锁定。
 *  **偏向锁状态**：偏向于第一个获得它的线程，后续的锁操作无需再进行同步。
 *  **轻量级锁状态**：当偏向锁升级后，线程会使用CAS操作尝试获取锁，这种状态下不会直接阻塞线程。
 *  **重量级锁状态**：当有多个线程同时竞争锁时，锁会升级到重量级锁，导致其他线程阻塞。

#### 锁的优化 ####

现代JVM实现了多种优化`synchronized`的手段，以减少锁操作的开销：

*  **偏向锁**：优化了只有一个线程访问同步块的情况。
 *  **轻量级锁**：当锁是在多线程间交替使用时使用。
 *  **锁消除**：JVM可以在编译时确定某些代码上的锁是多余的，这些锁将会被消除。
 *  **锁粗化**：如果一系列的连续锁解锁操作发生在同一个锁对象上，JVM会把它们合并为一次较长时间的锁操作，以减少锁操作的开销。
 *  **自适应自旋**：线程在等待锁的时候并不立即挂起，而是做几次忙等待，这个时间是自适应的。

#### 死锁 ####

在使用`synchronized`时，可能会遇到死锁的情况。死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因为争夺资源而造成的一种相互等待的现象。如果没有外力干涉，它们都将无法推进下去。

#### 性能考量 ####

虽然`synchronized`关键字在早期版本的Java中可能会导致性能瓶颈，但在现代JVM中，通过上述各种优化，这些性能问题已经被大大减轻。然而，不恰当的使用`synchronized`仍然可能导致性能问题，比如过度同步或者在持有锁的同时执行耗时任务。

#### 最佳实践 ####

*  尽量限制同步块的范围，使其尽可能小（粒度最小化）。
 *  避免在同步块内部进行I/O操作。
 *  细化锁的粒度，例如使用并发集合代替同步集合。
 *  谨慎地选择锁对象，避免使用String常量或全局对象作为锁。
 *  使用专门的并发工具，如java.util.concurrent包下的类，它们提供更高效、更灵活的同步机制。

#### 结语 ####

`synchronized`关键字是Java语言中并发编程的基石，它提供了一个简单的、结构化的方法来同步对共享资源的访问。通过锁机制，它保障了线程安全性，并通过JVM中的优化，它的性能逐渐得到提升。然而，开发者在使用时仍需注意死锁、锁的选择和同步的范围，以确保既保持线程安全又不牺牲程序的性能。

以上描述涵盖了`synchronized`关键字的多个方面，详细解释了其工作原理、如何获取和释放锁、Java内存模型、重入性、锁状态以及优化措施等。理解这些概念对于编写高质量、高性能的Java并发程序是至关重要的。