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Java 多线程同步机制深度解析：从 synchronized 到 Lock

news 2025/11/8 7:19:48

目录

  • 一、多线程并发问题的根源
  • 二、synchronized 关键字详解
    • 2.1 同步代码块
    • 2.2 同步方法
    • 2.3 synchronized 的实现原理
    • 2.4 synchronized 的锁升级过程
  • 三、Lock 接口及其实现
    • 3.1 ReentrantLock 的基本使用
    • 3.2 Lock 接口的核心方法
    • 3.3 ReentrantLock 的高级特性
  • 四、synchronized 与 Lock 的对比分析
  • 五、同步机制的最佳实践
  • 六、总结

一、多线程并发问题的根源

在多核 CPU 时代，多线程编程成为提升程序性能的重要手段。然而，当多个线程同时操作共享资源时，就可能出现数据不一致的问题。

例如，两个线程同时对一个计数器进行递增操作，理想情况下：

  1. 线程 A 读取计数器值为 10
  2. 线程 A 将其加 1，值为 11
  3. 线程 A 将 11 写回内存
  4. 线程 B 读取计数器值为 11
  5. 线程 B 将其加 1，值为 12
  6. 线程 B 将 12 写回内存

但实际可能发生：

  1. 线程 A 读取计数器值为 10
  2. 线程 B 读取计数器值为 10
  3. 线程 A 将其加 1，值为 11 并写回
  4. 线程 B 将其加 1，值为 11 并写回

最终结果为 11 而非预期的 12，这就是典型的线程安全问题。

为了解决这类问题，Java 提供了多种同步机制，其中最常用的就是synchronized关键字和Lock接口。

二、synchronized 关键字详解

synchronized是 Java 内置的同步机制，它能够保证同一时刻只有一个线程进入临界区（被synchronized修饰的代码块或方法），从而避免线程安全问题。

2.1 同步代码块

同步代码块的语法格式如下：

synchronized (锁对象) {// 需要同步的代码
}

示例代码：

public class Counter {private int count = 0;private Object lock = new Object(); // 锁对象public void increment() {synchronized (lock) { // 同步代码块count++;}}public int getCount() {return count;}
}

同步代码块的特点：

  • 灵活性高，可以精确控制需要同步的代码范围
  • 锁对象可以是任意对象，但通常使用专门创建的对象作为锁
  • 只有获取到锁对象的线程才能进入同步代码块

2.2 同步方法

同步方法是在方法声明中使用synchronized关键字：

// 同步实例方法
public synchronized void method() {// 需要同步的代码
}// 同步静态方法
public static synchronized void staticMethod() {// 需要同步的代码
}

示例代码：

public class Counter {private int count = 0;// 同步实例方法，锁对象是当前实例(this)public synchronized void increment() {count++;}// 同步实例方法public synchronized int getCount() {return count;}
}

同步方法的特点：

  • 同步实例方法的锁是当前对象实例（this）
  • 同步静态方法的锁是当前类的 Class 对象
  • 整个方法体都处于同步控制之下

2.3 synchronized 的实现原理

synchronized的实现基于 Java 对象头和 Monitor（监视器锁）机制：

  1. Java 对象头：每个 Java 对象都有一个对象头，其中包含了锁的状态信息
  2. Monitor：每个对象都关联一个 Monitor，它是一个同步工具，负责管理等待进入临界区的线程

当线程进入synchronized代码块时，会执行以下操作：

  • 尝试获取对象的 Monitor 所有权
  • 如果获取成功，进入临界区执行代码
  • 如果获取失败，线程进入阻塞状态，等待 Monitor 释放
  • 退出synchronized代码块时，释放 Monitor 所有权

2.4 synchronized 的锁升级过程

Java 6 及以后版本对synchronized进行了优化，引入了锁升级机制，从低到高依次为：

  1. 无锁状态：对象刚创建时，没有任何线程竞争
  2. 偏向锁：当只有一个线程访问同步代码块时，会记录线程 ID，避免每次获取和释放锁的开销
  3. 轻量级锁：当有多个线程交替访问时，使用 CAS 操作尝试获取锁，避免阻塞线程
  4. 重量级锁：当多个线程激烈竞争时，升级为重量级锁，此时会导致线程阻塞

锁升级的过程是不可逆的，只能从低级别向高级别升级。

三、Lock 接口及其实现

Lock接口是 Java 5 引入的同步机制，它提供了比synchronized更灵活的同步操作。ReentrantLock是Lock接口的主要实现类，具有可重入性。

3.1 ReentrantLock 的基本使用

ReentrantLock的使用步骤：

  1. 创建ReentrantLock实例
  2. 在需要同步的代码前调用lock()方法获取锁
  3. 在finally块中调用unlock()方法释放锁（确保锁一定会被释放）

示例代码：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Counter {private int count = 0;private Lock lock = new ReentrantLock(); // 创建锁对象public void increment() {lock.lock(); // 获取锁try {count++; // 临界区代码} finally {lock.unlock(); // 释放锁，放在finally中确保一定会执行}}public int getCount() {return count;}
}

3.2 Lock 接口的核心方法

Lock接口定义了以下核心方法：

  • void lock()：获取锁，如果锁被占用则阻塞
  • boolean tryLock()：尝试获取锁，成功返回 true，失败返回 false，不会阻塞
  • boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)：在指定时间内尝试获取锁
  • void lockInterruptibly()：获取锁，但允许被中断
  • void unlock()：释放锁
  • Condition newCondition()：创建一个与该锁关联的条件对象

3.3 ReentrantLock 的高级特性

ReentrantLock相比synchronized提供了更多高级特性：

  1. 可中断锁：通过lockInterruptibly()方法，线程在等待锁的过程中可以响应中断
  2. 超时获取锁：通过tryLock(long time, TimeUnit unit)方法，可以设置获取锁的超时时间
  3. 公平锁：可以通过构造函数ReentrantLock(boolean fair)创建公平锁，确保线程按照请求顺序获取锁
  4. 条件变量：通过newCondition()方法创建条件变量，实现更灵活的线程等待 / 唤醒机制

示例：使用条件变量实现生产者 - 消费者模式

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ProducerConsumer {private static final int CAPACITY = 5;private Queue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();private Lock lock = new ReentrantLock();private Condition notFull = lock.newCondition();private Condition notEmpty = lock.newCondition();// 生产者public void produce(int value) throws InterruptedException {lock.lock();try {// 队列满了则等待while (queue.size() == CAPACITY) {notFull.await(); // 等待队列不满}queue.add(value);System.out.println("生产: " + value);notEmpty.signal(); // 通知消费者队列非空} finally {lock.unlock();}}// 消费者public int consume() throws InterruptedException {lock.lock();try {// 队列空了则等待while (queue.isEmpty()) {notEmpty.await(); // 等待队列非空}int value = queue.poll();System.out.println("消费: " + value);notFull.signal(); // 通知生产者队列未满return value;} finally {lock.unlock();}}
}

四、synchronized 与 Lock 的对比分析

特性synchronizedLock
实现方式JVM 内置实现API 层面的实现
锁的释放自动释放必须手动释放（通常在 finally 中）
锁的获取阻塞获取可阻塞获取、可尝试获取、可超时获取
可中断性不可中断可中断
公平性非公平锁可选择公平锁或非公平锁
条件变量没有提供 Condition 实现
性能低竞争下性能好，Java 6 + 优化后性能提升明显高竞争下性能更好
使用便捷性简单，无需手动释放相对复杂，需要手动释放

五、同步机制的最佳实践

  1. 优先使用无锁编程：尽量避免使用同步机制，可以通过不可变对象、ThreadLocal 等方式避免共享状态
  2. 最小化同步范围：只同步必要的代码块，减小锁的持有时间
  3. 避免嵌套锁：嵌套锁容易导致死锁
  4. 选择合适的锁类型：
    • 简单场景优先使用synchronized，代码简洁且不易出错
    • 复杂场景（如需要中断、超时、公平性等）使用Lock
  5. 使用 try-finally 确保锁释放：对于Lock，务必在 finally 块中释放锁
  6. 避免锁竞争：通过合理的设计减少线程间的锁竞争
  7. 考虑使用并发容器：JDK 提供的 ConcurrentHashMap 等并发容器内部实现了高效的同步机制

示例：错误与正确的 Lock 使用方式对比

// 错误方式：没有在finally中释放锁
public void badLockUsage() {lock.lock();if (condition) {return; // 提前返回，导致锁未释放}// 业务逻辑lock.unlock();
}// 正确方式：在finally中释放锁
public void goodLockUsage() {lock.lock();try {if (condition) {return; // 即使提前返回，finally仍会执行}// 业务逻辑} finally {lock.unlock(); // 确保锁一定会被释放}
}

六、总结

Java 提供了synchronized和Lock两种主要的同步机制，它们各有优缺点：

  • synchronized是 Java 语言内置的同步机制，使用简单，无需手动释放锁，在 Java 6 之后经过优化性能有了很大提升，适合大多数简单的同步场景。

  • Lock接口（主要是ReentrantLock）提供了更灵活的同步操作，支持可中断、超时获取、公平锁和条件变量等高级特性，适合复杂的同步场景。

在实际开发中，应根据具体需求选择合适的同步机制。对于大多数情况，synchronized已经足够好用且性能表现良好；当需要更灵活的同步控制时，再考虑使用Lock接口。

掌握这两种同步机制的原理和使用场景，是 Java 多线程编程的基础，也是编写高效、线程安全的并发程序的关键。

希望本文能帮助你深入理解 Java 多线程同步机制，如果有任何疑问或建议，欢迎在评论区留言讨论！

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