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Java多线程知识小结：Synchronized

news 2025/7/7 6:30:17

在Java中，synchronized 关键字是实现线程同步的核心工具，用于保证同一时刻只有一个线程可以执行被修饰的代码块或方法。以下从基本原理、锁升级过程、应用场景及优化建议四个维度详细解析：

一、基本原理

1. 同步的对象

synchronized 锁的是对象而非代码：

修饰实例方法：锁的是当前实例对象（this）；
修饰静态方法：锁的是类的Class对象（如MyClass.class）；
修饰代码块：锁的是括号中的对象（如synchronized(obj)）。

2. 底层实现

JVM层面：通过对象头中的Mark Word和**Monitor（监视器）**实现。
对象头的Mark Word包含锁状态位（如偏向锁、轻量级锁、重量级锁）和指向Monitor的指针。
字节码层面：
- 同步方法：通过ACC_SYNCHRONIZED标志位标识；
- 同步代码块：通过monitorenter和monitorexit指令实现。

3. 互斥锁语义

线程进入同步块前需获取Monitor的所有权（锁），退出时释放锁；
未获取到锁的线程会被阻塞，进入Monitor的等待队列。

二、锁升级的具体过程

JDK 6之后，synchronized 锁机制进行了优化，引入锁升级（偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁）以减少性能开销。

1. 偏向锁（Biased Locking）

适用场景：单线程环境，无锁竞争。
原理：
1. 首次线程访问同步块时，Mark Word存储该线程ID（偏向状态）；
2. 后续该线程再次进入同步块时，无需CAS操作，直接获取锁；
3. 若其他线程尝试竞争锁，偏向锁撤销，升级为轻量级锁。
优点：无CAS操作，仅首次获取锁时有少量开销。
缺点：存在锁撤销（偏向锁撤销需STW），若存在多线程竞争，反而增加开销。

2. 轻量级锁（Lightweight Locking）

适用场景：多线程交替执行同步块（无实际竞争）。
原理：
1. 线程进入同步块时，JVM在当前线程栈帧中创建锁记录（Lock Record）；
2. 通过CAS将对象头的Mark Word复制到锁记录，并将Mark Word指向锁记录地址；
3. 若CAS成功，获取轻量级锁；若失败，说明存在竞争，锁膨胀为重量级锁。
优点：竞争不激烈时，避免线程阻塞，减少用户态/内核态切换。
缺点：竞争激烈时，频繁CAS导致性能下降。

3. 重量级锁（Heavyweight Lock）

适用场景：多线程同时竞争锁。
原理：
1. 锁膨胀后，Mark Word指向操作系统的Monitor对象；
2. 未获取到锁的线程被阻塞（进入内核态），放入Monitor的等待队列；
3. 锁释放时，唤醒等待队列中的线程（需从内核态转回用户态）。
缺点：线程阻塞/唤醒涉及用户态与内核态切换，性能开销大。

4. 锁升级流程图

无锁状态 → 偏向锁（单线程） → 轻量级锁（多线程交替） → 重量级锁（多线程竞争）

5. 锁升级的触发条件

偏向锁撤销：当其他线程尝试访问偏向锁对象时，JVM在安全点（Safepoint）撤销偏向锁；
轻量级锁膨胀：线程尝试CAS获取轻量级锁失败时，锁膨胀为重量级锁；
批量重偏向/撤销：当一个类的对象频繁发生偏向锁撤销时，JVM会对该类的对象批量重偏向或撤销。

三、应用场景

1. 保护共享资源

示例：多线程操作同一个计数器：

public class Counter {private int count = 0;// 同步方法，锁的是thispublic synchronized void increment() {count++;}
}

2. 实现原子操作

示例：双重检查锁定（DCL）实现单例模式：

public class Singleton {private static volatile Singleton instance; // 必须用volatile禁止指令重排public static Singleton getInstance() {if (instance == null) { // 第一次检查synchronized (Singleton.class) { // 锁的是Class对象if (instance == null) { // 第二次检查instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

3. 保证复合操作的原子性

示例：检查再执行（Check-Then-Act）操作：

public class Inventory {private Map<String, Integer> stock = new HashMap<>();// 复合操作：先检查库存，再扣减public synchronized boolean decreaseStock(String product, int amount) {if (stock.getOrDefault(product, 0) >= amount) {stock.put(product, stock.get(product) - amount);return true;}return false;}
}

4. 线程间协作（wait/notify机制）

示例：生产者-消费者模型：

public class ProducerConsumer {private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final int CAPACITY = 10;// 生产者方法public synchronized void produce(int item) throws InterruptedException {while (queue.size() == CAPACITY) {wait(); // 等待队列有空间}queue.add(item);notifyAll(); // 通知消费者有新元素}// 消费者方法public synchronized int consume() throws InterruptedException {while (queue.isEmpty()) {wait(); // 等待队列有元素}int item = queue.poll();notifyAll(); // 通知生产者有空间return item;}
}

四、优化建议

1. 缩小同步块范围

反例：

public synchronized void process() {// 非关键代码long startTime = System.currentTimeMillis();// 关键代码（需要同步）synchronized (this) {// 操作共享资源}// 非关键代码System.out.println("耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
}

正例：仅同步关键代码：

public void process() {long startTime = System.currentTimeMillis();// 仅同步关键代码synchronized (this) {// 操作共享资源}System.out.println("耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
}

2. 优先使用同步代码块而非同步方法

同步方法默认锁的是this，可能导致锁范围过大；
同步代码块可精确控制锁对象。

3. 使用细粒度锁替代粗粒度锁

反例：

public class Bank {private Map<String, Account> accounts = new HashMap<>();// 粗粒度锁：整个方法同步public synchronized void transfer(String from, String to, double amount) {// 转账逻辑}
}

正例：

public class Bank {private Map<String, Account> accounts = new HashMap<>();// 细粒度锁：仅锁相关账户public void transfer(String from, String to, double amount) {Account fromAccount = accounts.get(from);Account toAccount = accounts.get(to);// 按顺序加锁，避免死锁Account first = fromAccount.hashCode() < toAccount.hashCode() ? fromAccount : toAccount;Account second = first == fromAccount ? toAccount : fromAccount;synchronized (first) {synchronized (second) {// 转账逻辑}}}
}