深入解析Java并发编程中的Synchronized关键字工作原理与性能优化

Synchronized关键字：Java并发的内置锁机制

Synchronized是Java语言中最基本的同步工具之一，用于控制多个线程对共享资源的并发访问。它可以确保在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或代码块，从而避免数据不一致和竞态条件的问题。其本质是建立在JVM内部对象监视器（Monitor）之上的互斥锁。

Synchronized的三种应用方式

同步实例方法

当Synchronized关键字修饰实例方法时，锁定的是当前实例对象（this）。同一实例的多个线程在执行该同步方法时会产生互斥，但不同实例的线程则不会相互影响。

同步静态方法

当Synchronized关键字修饰静态方法时，锁定的是当前类的Class对象。由于Class对象在JVM中唯一，因此它会锁住该类的所有实例，实现对类级别的同步控制。

同步代码块

Synchronized还可以修饰代码块，需要显式指定锁对象。这种方式更加灵活，可以精确控制锁的范围，减少锁的粒度，从而提高并发性能。锁对象可以是任意Java对象。

Synchronized的底层实现原理

对象头与Monitor

在JVM中，每个对象都包含对象头，其中存储了与锁相关的信息。Synchronized的锁实现依赖于对象头中的Mark Word，它记录了锁状态、持有锁的线程等信息。Monitor（监视器）是JVM实现的底层同步机制，每个Java对象都与一个Monitor相关联。

锁升级过程

为了平衡性能与效率，Synchronized的锁状态会随着竞争情况而升级，这一过程是不可逆的：

无锁状态： 对象刚创建时的初始状态。

偏向锁： 当第一个线程访问时，将线程ID记录在对象头中。如果该线程再次访问，无需进行CAS操作，直接获取锁，减少同步开销。

轻量级锁： 当有第二个线程尝试获取锁时，偏向锁升级为轻量级锁。线程通过CAS操作竞争锁，适用于线程交替执行、竞争不激烈的场景。

重量级锁： 当轻量级锁竞争激烈（自旋超过一定次数或等待线程过多）时，会升级为重量级锁。此时，未获取锁的线程会进入阻塞状态，由操作系统进行线程调度，开销较大。

Synchronized的性能优化策略

减小锁的粒度

尽量缩小同步代码块的范围，只对必要的共享资源操作进行同步。避免在长时间操作（如I/O操作）或循环体内使用大范围的同步，以减少线程等待时间。

降低锁的竞争

可以通过锁分离、锁粗化等技术降低锁的竞争程度。例如，读写锁分离（ReadWriteLock）允许读操作并行，提高读多写少场景的性能。

使用并发容器替代同步容器

Java并发包（java.util.concurrent）提供了高效并发容器（如ConcurrentHashMap），它们内部使用更精细的锁机制或CAS操作，通常比使用Synchronized的同步容器性能更高。

Synchronized与Lock的对比

Synchronized是Java语言层面的关键字，使用简单，由JVM负责管理锁的获取与释放，不会出现死锁（除非嵌套不当）。而Lock接口（如ReentrantLock）是API层面的锁，功能更丰富，支持公平锁、可中断锁、超时锁等特性，但需要手动释放锁。在低竞争场景下，Synchronized因JVM优化而性能优异；在高竞争场景下，ReentrantLock可能提供更好的吞吐量。

总结

Synchronized作为Java最基础的同步机制，通过对象监视器实现线程安全。其锁升级机制有效平衡了无竞争和高竞争场景下的性能。合理使用Synchronized，并结合减小锁粒度、降低锁竞争等优化策略，可以构建出高效、可靠的并发程序。在复杂的并发场景中，开发者可以根据需求选择Synchronized或更高级的并发工具，以达到最佳的性能与功能平衡。