面试10000次依然会问的【synchronized】，你还不会？

引言

synchronized 关键字是实现线程同步的核心工具，它能够确保在任一时刻，只有一个线程能够访问被同步的方法或代码块。

这不仅保证了操作的原子性，即这些操作要么完全执行，要么完全不执行；同时也确保了操作的可见性，即一个线程对共享变量的修改，能够被其他线程立即看到。

synchronized 还提供了有序性保证，确保了代码的执行顺序与程序的编写顺序一致，防止了编译器和处理器可能进行的指令重排优化。

随着JDK版本的更新，Java对synchronized进行了多项优化，如引入轻量级锁和偏向锁等，大大提升了其在并发处理中的性能。

在本文中，我们将深入分析synchronized的工作原理，探讨其在Java并发编程中的应用，并通过实例来展示其在实际开发中的使用方法和效果。通过这些分析，我们旨在为读者提供一个关于Java线程同步的全面视角，帮助读者更好地理解和运用这一关键技术。

synchronized的基础

synchronized提供了一种简单而有效的机制，用于在多线程环境中管理对共享资源的访问，确保线程安全。

synchronized可以修饰方法或代码块，当它修饰一个方法时，这个方法称为同步方法。这意味着多个线程不能同时执行这个方法，必须依次进入；这就保证了方法内部操作的原子性和可见性。

例如，考虑一个简单的计数器类，它有一个方法用于增加计数值。如果这个方法被synchronized修饰，那么无论何时，只有一个线程能够执行这个方法，从而避免了并发执行时可能出现的数据不一致问题。

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public class Counter {
    private int count = 0;
    // 同步方法
    public synchronized void increment() {
        count++; // 当前线程会锁定这个方法，直到方法执行完成
    }
}

在同步代码块中，Java允许指定一个锁对象，这个锁对象通常是当前实例（this）或者类对象（如ClassName.class）。当线程进入这个同步代码块时，它会获取指定对象的锁，直到代码块执行完成后释放。

csharp 复制代码

public void incrementBlock() {
    synchronized (this) { // 锁定当前对象
        count++; // 只有获得当前对象锁的线程才能执行这段代码
    }
}

synchronized的实现依赖于JVM内部的监视器锁（Monitor），这是一种互斥锁，它保护对共享资源的访问。当线程进入同步代码块或方法时，它会自动获取监视器锁，并在退出时释放锁。如果一个线程已经拥有某个对象的锁，再次请求时会增加这个锁的计数器，释放时计数器减少，计数器为0时锁被释放。

通过这种机制，synchronized确保了在同一时刻，只有一个线程能够执行同步代码，从而在多线程环境中保持了数据的一致性和完整性。

synchronized的实现机制

synchronized关键字是实现同步的一种内置机制。它可以应用于方法和代码块，以确保在同一时刻只有一个线程能够执行特定的代码段。这是通过在对象上加锁来实现的，每个Java对象都可以作为一个锁的角色。这种锁机制主要依赖于两个特性：互斥性和可见性。互斥性确保同一时间只有一个线程持有锁，而可见性则确保锁释放前对共享变量的修改对后续获得该锁的线程可见。

当一个线程想要执行一个同步方法或同步代码块时，它必须先获得锁。对于非静态同步方法，锁是对象实例本身；对于静态同步方法，锁是对象的Class对象；对于同步代码块，锁是括号内指定的对象。一旦线程获得了锁，它就可以执行方法或代码块。当方法或代码块执行完毕，锁就会被释放，其他线程就有机会获得这个锁并执行它们的任务。

在实现机制上，synchronized关键字利用了监视器锁（Monitor Lock），也称为内置锁。每个对象都与一个监视器锁相关联，当监视器锁被某个线程占有时，其他线程就无法进入这个锁所保护的同步代码块。如果其他线程尝试获取这个锁，它们将会被阻塞，直到锁被释放。

此外，synchronized还涉及到锁的升级和降级。在JVM中，锁主要有四种状态，无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，它们会根据线程竞争的情况进行相应的转换，以提高锁的获取和释放的效率。

synchronized的实现机制是通过对象内部的监视器锁来完成同步控制的，它确保了只有获得锁的线程才能执行同步代码，同时保证了线程安全性的同时也带来了一定的性能开销。在高度竞争的环境中，可能会导致程序运行性能的下降，因此在使用时需要权衡同步操作对性能的影响。

synchronized与锁的关系

在Java并发编程中，synchronized关键字和锁（Lock）机制是保证线程安全的重要手段。synchronized是Java内置的同步机制，它可以修饰方法或代码块，确保在同一时刻只有一个线程可以执行该代码段。当它修饰一个方法时，这个方法称为同步方法，确保每次只有一个线程能执行该方法。当它修饰代码块时，需要指定一个锁对象，该代码块称为同步代码块。

例如，一个同步方法increment会在方法执行期间锁定当前对象，防止其他线程同时访问，从而保证操作的原子性和可见性。代码如下：

arduino 复制代码

public synchronized void increment() {
    count++; // 这里的操作是线程安全的
}

在另一方面，Lock是一个接口，提供了比synchronized更细粒度的锁操作，允许更灵活的结构，可以有不同的锁实现。例如，ReentrantLock是Lock的一个实现，它提供了可重入的互斥锁。使用Lock时，需要手动获取和释放锁，通常在finally块中进行，以避免死锁。代码示例如下：

csharp 复制代码

Lock lock = new ReentrantLock();
public void increment() {
    lock.lock(); // 获取锁
    try {
        count++; // 这里的操作是线程安全的
    } finally {
        lock.unlock(); // 确保锁被释放
    }
}

synchronized和Lock在使用上的主要区别在于synchronized是基于JVM实现的，没有获取锁的超时退出机制，而Lock提供了更多的功能，如尝试非阻塞地获取锁、能够响应中断、支持超时的锁获取操作等。在资源竞争不激烈的情况下，两者的性能差异不大，但在高度竞争的环境中，Lock通常能提供更稳定的性能。

synchronized的优化

在Java并发编程中，锁是用来控制多个线程对共享资源访问的工具。锁提供了两种主要的同步机制：synchronized和Lock。synchronized是基于JVM实现的内置锁机制，简单易用，但在某些情况下会导致效率降低。Lock是一个更加灵活的线程同步机制，允许更细粒度的锁控制，可以提高多线程程序的性能，尤其是在高度竞争的环境中。使用Lock时，需要手动释放锁，并且通常在finally块中进行，以避免死锁。ReentrantLock是Lock的一个实现，提供了可重入的互斥锁。ReadWriteLock允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以写入，这可以进一步提高程序的并发性能。

synchronized的优化主要体现在减少锁持有时间和减少锁的竞争两个方面。在实际编程中，可以通过以下几种方式来优化synchronized的使用：

减小锁的粒度：尽量使用同步代码块而不是同步方法，只在共享资源的读写操作上加锁，这样可以大大减少锁持有的时间，提高效率。
锁分离：如果一个类中有多个独立的共享资源，可以为每个资源创建一个锁，这样当多线程访问不同资源时，就可以并行运行，提高效率。
锁粗化：如果一系列的连续操作都对同一个对象加锁，可以考虑将锁的范围扩大到整个操作序列，避免频繁的锁请求和释放带来的开销。
使用锁消除技术：JVM在即时编译时，如果发现某些代码上的锁并不是必需的，它可以去掉这些锁，减少不必要的同步开销。
使用读写锁：如果一个资源被大量读取而很少修改，可以使用ReadWriteLock来提高性能。读写锁允许多个线程同时读取，但只有一个线程可以写入。
使用volatile变量：对于某些情况，可以使用volatile变量来代替轻量级的同步操作，因为volatile变量可以保证线程间变量的可见性，而不会引入锁的开销。
优化同步类的设计：在设计同步类时，应该尽量避免内部持有多个锁，这样可以减少死锁的可能性，同时也可以提高性能。

synchronized的使用场景与案例分析

在并发编程的世界中，synchronized关键字扮演着守护线程安全的重要角色。它确保在同一时刻，只有一个线程能够执行特定资源的代码块。这种机制在处理共享资源时至关重要，因为它防止了多线程同时访问，从而避免了数据不一致或状态不同步的问题。

使用场景一：保护非原子性操作 考虑一个简单的计数器类，其中的增加计数的方法需要被同步，以防止多线程同时修改计数值导致错误。例如，一个同步方法increment，它通过内置锁保护方法不被多个线程同时执行。代码如下：

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public synchronized void increment() {
    count++; // 当前线程会锁定这个方法，直到方法执行完成
}

在这个场景中，每个线程在进入increment()方法前，必须获得对象的锁，确保操作的原子性和可见性。

使用场景二：同步代码块与同步方法 在某些情况下，我们可能不需要同步整个方法，而只是方法中的一部分。这时，同步代码块就显得非常有用。例如，我们可以使用synchronized(this)来锁定当前对象，从而只有获得当前对象锁的线程才能执行这段代码。代码如下：

csharp 复制代码

public void incrementBlock() {
    synchronized (this) { // 锁定当前对象
        count++; // 只有获得当前对象锁的线程才能执行这段代码
    }
}

这种方式提供了更细粒度的锁控制，可以在保证线程安全的同时提高效率。

使用场景三：读写操作的优化 在处理复杂的数据结构时，如Map，我们可能需要对读写操作进行优化。使用synchronized关键字，我们可以通过实现一个简单的线程安全的Map来保护数据。但是，当我们引入读写锁，如ReentrantReadWriteLock，我们可以允许多个线程同时读取数据，只要没有线程在写入。这种策略可以在多线程环境中提高读操作的并发性能，同时保证写操作的安全性。

案例分析： 在一个线程中，如果使用synchronized修饰的静态同步方法，如sync2()，它使用当前类对象作为锁。当线程C执行这个方法时，它会获取类锁。由于类锁和对象锁是不同的，线程B和线程C可以同时执行sync1()和sync2()，但同一类型的线程在执行相同的同步方法或代码块时会被顺序执行。这展示了如何在不同的线程中使用不同类型的锁来控制对资源的访问。

在实际应用中，选择合适的同步策略和锁类型对于提高程序的性能和可靠性至关重要。synchronized提供了一种简单而强大的机制，可以在多线程环境中安全地操作共享资源。通过上述使用场景和案例分析，我们可以看到synchronized在Java并发编程中的重要性和实用性。

synchronized的局限性

性能问题 ：synchronized关键字在某些情况下可能会导致程序执行效率的降低。当它锁定的代码块或方法被频繁地访问时，线程争用（竞争同一把锁）可能会导致性能瓶颈。
锁的粒度 ：synchronized锁定的是整个方法或者指定的代码块，这可能会导致锁的粒度过大，使得即使是不冲突的线程也无法并行执行，从而降低了程序的并发性能。
锁的不可中断性：当线程A持有锁时，如果线程B在等待这个锁，线程B不能被中断，即它必须等待线程A释放锁。这在处理长时间等待时可能会成为问题。
死锁风险 ：使用synchronized时，如果不当地设计锁的获取和释放顺序，很容易导致死锁，即多个线程相互等待对方持有的锁，从而无法继续执行。
无法处理所有属性 ：虽然synchronized可以保证方法或代码块的原子性，但它无法保证整个对象状态的一致性，特别是当有多个变量需要在多个方法中共同维护一致性时。
缺乏灵活性 ：与Lock接口相比，synchronized提供的同步机制较为简单，缺乏高级功能，如尝试非阻塞地获取锁、可中断的锁获取操作、公平性选择等。

为了克服这些局限性，Java提供了其他的并发工具，如ReentrantLock、ReadWriteLock等，它们提供了更细粒度的锁控制以及更高级的功能，可以根据具体的场景选择使用。在设计并发程序时，开发者需要权衡使用synchronized还是其他并发工具，以达到最佳的性能和线程安全。

替代方案与最佳实践

根据文档内容和我的知识储备，以下是关于synchronized替代方案与最佳实践的扩写内容：

替代方案与最佳实践（约400字）

在Java并发编程中，synchronized关键字是实现同步的传统方式，但它并不是唯一的选择。随着Java语言的发展，出现了新的锁机制，提供了更细粒度的控制和更高的性能。

替代方案

Lock接口 ：Lock接口提供了比synchronized更丰富的锁操作，它允许更灵活的结构，可以有不同的锁实现，如ReentrantLock、ReadWriteLock等。Lock在使用时需要手动获取和释放锁，通常在finally块中释放，以避免死锁的发生。
ReadWriteLock ：当读操作远多于写操作时，ReadWriteLock可以提升性能。它允许多个线程同时读取，但只有一个线程可以写入。这种锁适用于读多写少的高并发场景。
StampedLock ：Java 8引入了StampedLock，它是ReadWriteLock的改进版，提供了一种乐观的读锁定机制，可以转换为写锁，这在某些场景下可以减少锁的竞争。
Atomic类 ：对于简单的原子操作，可以使用java.util.concurrent.atomic包中的类，如AtomicInteger和AtomicReference等。这些类使用了高效的机器级指令来保证操作的原子性，通常比synchronized更高效。

最佳实践

减小锁的粒度：尽量使用同步代码块而不是同步方法，只在需要同步的代码区域内使用锁，这样可以减少锁的持有时间，提高效率。
避免锁的嵌套：锁的嵌套使用可能会导致死锁，应当尽量避免。
使用try-finally确保锁的释放：对于Lock的使用，始终在finally块中释放锁，确保即使在发生异常时也能释放锁。
优先使用并发集合 ：Java的java.util.concurrent包提供了多种并发集合类，如ConcurrentHashMap，它们内部已经处理了并发控制，使用这些集合可以避免显式同步。
合理选择锁的公平性 ：对于ReentrantLock和其他可选的公平锁，需要根据实际情况选择是否需要公平性。公平锁虽然可以防止饥饿，但通常会降低性能。
考虑锁的可重入性：可重入锁可以在同一个线程中多次获取，避免了死锁，但也要注意不要过度使用。

通过上述替代方案和最佳实践，开发者可以根据具体的应用场景选择最合适的同步机制，以实现更高效的并发控制。

总结

在撰写关于synchronized关键字的总结部分时，我们可以从以下几个方面进行概述：

线程安全的重要性 ：首先强调synchronized关键字在Java并发编程中确保线程安全的重要性，它通过内置锁机制来保证共享资源的同步访问。
基本用法 ：简要回顾synchronized的基本用法，包括它可以修饰方法或代码块，以及它如何实现同步方法和同步代码块。
锁的概念：解释对象锁和类锁的区别以及它们如何用于不同的同步场景。
优化措施 ：总结一些优化synchronized使用的方法，例如减少同步块的大小，使用细粒度的锁等。
使用场景 ：提及synchronized适用的典型场景，如计数器、状态控制等，并分析案例以展示其实际应用。
局限性与替代方案 ：指出synchronized的局限性，如可能引起的性能问题，以及现代并发工具（如ReentrantLock、ReadWriteLock等）作为替代方案的简要介绍。
最佳实践 ：强调在使用synchronized时应遵循的最佳实践，如在异常处理时正确释放锁，以及在适当的情况下选择更高级的并发机制。

结合以上要点，我们可以形成一个大致200字的总结段落。以下是一个基于上述要点的总结示例：

在Java并发编程中，synchronized关键字是实现线程安全的基石。它通过对象锁和类锁来保证同一时间只有一个线程访问同步代码，从而避免了数据的不一致性和竞态条件。尽管synchronized简单易用，但在高并发场景下可能会成为性能瓶颈。因此，开发者需要采取优化措施，如缩小同步块范围，使用细粒度锁等，以提高程序效率。同时，应当意识到synchronized的局限性，并在适当情况下考虑使用ReentrantLock、ReadWriteLock等更高级的并发控制工具。遵循最佳实践，如在异常处理中正确管理锁的释放，是确保程序稳定性的关键。总之，synchronized是Java并发编程中不可或缺的工具，但也需要与时俱进，灵活选择最适合当前场景的同步策略。

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