引言

咱們程序員在面對(duì)多線程編程時(shí)，經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到一個(gè)詞——synchronized。這個(gè)詞在Java世界里就像是一把萬(wàn)能鑰匙，打開(kāi)并發(fā)編程的大門。但是，你知道嗎？雖然synchronized用得多，但真正深入理解它的人并不多。今天，小黑就帶大家一起揭開(kāi)synchronized的神秘面紗。

在Java的世界里，線程安全問(wèn)題總是繞不開(kāi)的話題。不管是在做Web應(yīng)用、Android開(kāi)發(fā)還是做一些高性能的后端服務(wù)，多線程和并發(fā)總是咱們的老朋友。而synchronized，作為Java內(nèi)置的同步機(jī)制，是保證多線程環(huán)境下數(shù)據(jù)一致性和線程安全的重要工具。

synchronized關(guān)鍵字基礎(chǔ)

那么，synchronized到底是個(gè)什么東西呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)同步鎖。當(dāng)咱們?cè)诜椒ㄉ匣蛘叽a塊上使用synchronized關(guān)鍵字時(shí)，它就像是給代碼加上了一道鎖，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以執(zhí)行這段代碼。

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假設(shè)小黑有一個(gè)計(jì)數(shù)器，這個(gè)計(jì)數(shù)器會(huì)在多個(gè)線程中被訪問(wèn)和修改。如果不使用synchronized，就可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤的情況?？聪旅孢@個(gè)代碼：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

這個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器在多線程環(huán)境下就不安全了。因?yàn)楫?dāng)多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用increment方法時(shí)，它們可能會(huì)看到count的舊值，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。這時(shí)，synchronized就派上用場(chǎng)了：

public class SynchronizedCounter {
    private int count = 0;

    // 使用synchronized關(guān)鍵字保證線程安全
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

這樣，當(dāng)一個(gè)線程在執(zhí)行increment方法時(shí)，其他線程就必須等它執(zhí)行完畢，才能繼續(xù)執(zhí)行，從而保證了線程安全。

但是，synchronized并不是萬(wàn)能的。它雖然解決了線程安全問(wèn)題，但也帶來(lái)了性能上的開(kāi)銷。因?yàn)楫?dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步鎖時(shí)，其他線程就必須等待，這就可能導(dǎo)致線程阻塞和等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。所以，正確理解和使用synchronized，對(duì)于寫(xiě)出高效、安全的并發(fā)程序來(lái)說(shuō)非常重要。

synchronized的工作原理

字節(jié)碼層面的鎖

當(dāng)小黑在Java代碼中使用synchronized時(shí)，這在字節(jié)碼層面上對(duì)應(yīng)著兩種指令：monitorenter和monitorexit。這兩個(gè)指令分別用于獲取和釋放鎖。

舉個(gè)例子

來(lái)看個(gè)簡(jiǎn)單的示例，小黑有一個(gè)同步方法：

public synchronized void syncMethod() {
    // 同步操作
}

在字節(jié)碼層面，這個(gè)方法大概會(huì)被轉(zhuǎn)換成：

// 方法開(kāi)始
monitorenter
try {
    // 同步操作的字節(jié)碼
} finally {
    monitorexit
}
// 方法結(jié)束

鎖的內(nèi)部工作機(jī)制

在Java中，每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)監(jiān)視器鎖（Monitor）。當(dāng)線程進(jìn)入synchronized塊時(shí)，它會(huì)嘗試獲取這個(gè)監(jiān)視器鎖。如果鎖沒(méi)有被其他線程持有，那么它會(huì)成功獲取并持有這個(gè)鎖，并繼續(xù)執(zhí)行同步塊的代碼。如果鎖被其他線程持有，它會(huì)被阻塞，直到鎖被釋放。

鎖的優(yōu)化：輕量級(jí)鎖與重量級(jí)鎖

Java虛擬機(jī)為了提高性能，實(shí)現(xiàn)了鎖的升級(jí)機(jī)制。最初，當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入synchronized塊時(shí)，它會(huì)使用輕量級(jí)鎖。輕量級(jí)鎖的獲取和釋放不需要從操作系統(tǒng)獲得支持，它主要通過(guò)線程間的CAS操作實(shí)現(xiàn)。但如果有多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)鎖，輕量級(jí)鎖就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖需要操作系統(tǒng)的支持，它會(huì)導(dǎo)致線程阻塞。

鎖的狀態(tài)

鎖在Java中可以有多個(gè)狀態(tài)，包括無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)。偏向鎖是一種特殊的鎖，它會(huì)偏向于第一個(gè)獲取它的線程，以減少鎖操作的開(kāi)銷。當(dāng)有更多線程加入競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，偏向鎖可以升級(jí)為輕量級(jí)鎖，進(jìn)而升級(jí)為重量級(jí)鎖。

通過(guò)深入到字節(jié)碼指令和鎖的內(nèi)部工作機(jī)制，咱們可以看到synchronized是如何在Java虛擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)同步的。雖然它在字節(jié)碼層面看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但背后的優(yōu)化機(jī)制卻非常復(fù)雜。咱們?cè)谑褂胹ynchronized時(shí)，雖然不需要關(guān)心這些復(fù)雜的內(nèi)部細(xì)節(jié)，但了解它們能幫助我們更好地理解Java的并發(fā)機(jī)制。

synchronized的使用場(chǎng)景

好啦，咱們已經(jīng)了解了synchronized的基本概念和工作原理，那么接下來(lái)，小黑要聊聊synchronized的使用場(chǎng)景，以及和其他同步工具的比較。

1. 同步方法

首先，最常見(jiàn)的場(chǎng)景就是同步方法。這個(gè)大家都不陌生，就像前面提到的銀行賬戶例子。在方法上添加synchronized關(guān)鍵字，可以確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以執(zhí)行這個(gè)方法。這適用于簡(jiǎn)單的操作，比如更新一個(gè)變量或者完成一個(gè)簡(jiǎn)單的事務(wù)。

public synchronized void add(int value) {
    this.count += value;
}

2. 同步代碼塊

但是，如果你的方法里只有部分代碼需要同步，那么用同步代碼塊可能更合適。這樣可以減少鎖的范圍，提高效率。

public void add(int value) {
    synchronized(this) {
        this.count += value;
    }
}

3. 對(duì)比其他同步工具

當(dāng)然，除了synchronized，Java還提供了其他同步工具，比如ReentrantLock。與synchronized相比，ReentrantLock提供了更高的靈活性，比如可以嘗試非阻塞地獲取鎖，或者在給定時(shí)間內(nèi)等待鎖。

4. 使用場(chǎng)景對(duì)比

那么，什么時(shí)候該用synchronized，什么時(shí)候用ReentrantLock呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果你需要簡(jiǎn)單的同步機(jī)制，用synchronized就夠了。但如果你需要更復(fù)雜的同步控制，比如鎖的公平性、可中斷的鎖獲取等，那么ReentrantLock可能是更好的選擇。

5. 性能考量

還有個(gè)角度不能忽視，那就是性能。雖然synchronized在最新的Java版本中已經(jīng)得到了很大的優(yōu)化，但在某些高并發(fā)場(chǎng)景下，ReentrantLock可能會(huì)有更好的性能表現(xiàn)。

synchronized是一個(gè)非常強(qiáng)大且易用的同步機(jī)制。它適用于大多數(shù)的同步需求，尤其是那些不需要復(fù)雜同步策略的場(chǎng)景。但在選擇synchronized之前，小黑建議咱們先考慮一下需求，確保它是最合適的工具。

synchronized的性能考量和優(yōu)化

好了，來(lái)聊聊大家都關(guān)心的問(wèn)題——性能。synchronized作為內(nèi)置的同步機(jī)制，簡(jiǎn)單好用，但也有可能成為性能瓶頸。小黑這就來(lái)分析一下，同時(shí)給咱們一些優(yōu)化的建議。

1. 性能影響

使用synchronized時(shí)，最大的性能問(wèn)題就是線程等待。當(dāng)一個(gè)線程持有鎖時(shí)，其他需要這個(gè)鎖的線程就會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)。在高并發(fā)的應(yīng)用中，這種等待可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問(wèn)題。

2. 減少鎖的范圍

一種常見(jiàn)的優(yōu)化方法是減少鎖的范圍。比如，不是整個(gè)方法都加鎖，而是只對(duì)需要同步的部分代碼加鎖。這樣可以減少線程等待的時(shí)間。

public void updateData() {
    // 這部分代碼不需要同步
    processData();

    synchronized(this) {
        // 只有這部分代碼需要同步
        updateDatabase();
    }
}

3. 減少鎖的粒度

另一個(gè)優(yōu)化方法是減少鎖的粒度。例如，如果有多個(gè)資源需要同步，可以為每個(gè)資源提供單獨(dú)的鎖，而不是一個(gè)鎖同步所有資源。

public class Resource {
    private final Object lock1 = new Object();
    private final Object lock2 = new Object();

    public void doSomething() {
        synchronized(lock1) {
            // 只涉及資源1的操作
        }

        synchronized(lock2) {
            // 只涉及資源2的操作
        }
    }
}

4. 使用其他并發(fā)工具

如果性能真的是一個(gè)大問(wèn)題，可以考慮使用Java并發(fā)包里的其他工具，比如ReentrantLock。雖然它的使用比synchronized復(fù)雜一些，但提供了更多的控制，包括可中斷的鎖獲取、公平性選擇等。

5. 鎖的優(yōu)化

不要忘了Java虛擬機(jī)本身對(duì)synchronized的優(yōu)化。自Java 6以來(lái)，JVM對(duì)synchronized做了很多優(yōu)化，比如鎖消除、鎖粗化、自旋鎖等。所以，在很多情況下，synchronized的性能已經(jīng)足夠好了。

synchronized在使用時(shí)確實(shí)需要考慮性能問(wèn)題。但通過(guò)減少鎖的范圍和粒度，以及合理使用JVM的優(yōu)化，可以大大減輕這些問(wèn)題。在選擇使用synchronized之前，小黑建議咱們先仔細(xì)考慮一下應(yīng)用的實(shí)際需求，以及是否有更合適的并發(fā)工具。

synchronized的進(jìn)階話題

好的，咱們已經(jīng)講了不少關(guān)于synchronized的基礎(chǔ)內(nèi)容，現(xiàn)在小黑要帶大家深入一些進(jìn)階話題，理解synchronized背后的更多秘密。

1. 鎖的狀態(tài)和優(yōu)化

synchronized在JVM層面經(jīng)歷了不少優(yōu)化，其中一個(gè)重要概念就是鎖的狀態(tài)。鎖在Java中有幾種不同的狀態(tài)，包括無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖。這些狀態(tài)的轉(zhuǎn)換基于鎖競(jìng)爭(zhēng)的程度，JVM會(huì)根據(jù)具體情況自動(dòng)調(diào)整。

• 偏向鎖：這是一種鎖的狀態(tài)，它假設(shè)鎖主要被一個(gè)線程所使用，因此會(huì)有所優(yōu)化。如果同一個(gè)線程多次獲取鎖，這將非常高效。
• 輕量級(jí)鎖：當(dāng)偏向鎖失效時(shí)，鎖會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。輕量級(jí)鎖在多個(gè)線程交替獲取鎖時(shí)效率較高。
• 重量級(jí)鎖：當(dāng)有多個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)鎖時(shí)，輕量級(jí)鎖會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。這是最傳統(tǒng)的鎖，涉及到操作系統(tǒng)層面的同步。

2. 鎖的膨脹和退化

鎖的狀態(tài)不是固定不變的。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，鎖可以從偏向鎖膨脹為輕量級(jí)鎖，甚至是重量級(jí)鎖。反之，在競(jìng)爭(zhēng)減少時(shí)，鎖也可能退化。

3. Java內(nèi)存模型（JMM）與synchronized

Java內(nèi)存模型（JMM）是理解synchronized的另一個(gè)關(guān)鍵。JMM處理了多線程中變量的可見(jiàn)性問(wèn)題，保證了一個(gè)線程寫(xiě)入的值對(duì)其他線程是可見(jiàn)的。synchronized在JMM中扮演著重要角色，通過(guò)提供內(nèi)存屏障，它確保了變量的可見(jiàn)性和有序性。

4. 死鎖問(wèn)題

在討論synchronized時(shí)，不能不提死鎖。死鎖發(fā)生在兩個(gè)或以上的線程互相等待對(duì)方釋放鎖。理解死鎖及其解決方法對(duì)于使用synchronized是非常重要的。

public class DeadlockDemo {
    private final Object resource1 = new Object();
    private final Object resource2 = new Object();

    public void method1() {
        synchronized(resource1) {
            // 模擬操作
            synchronized(resource2) {
                // 操作資源
            }
        }
    }

    public void method2() {
        synchronized(resource2) {
            // 模擬操作
            synchronized(resource1) {
                // 操作資源
            }
        }
    }
}

synchronized雖然表面上看簡(jiǎn)單，但背后其實(shí)隱藏著復(fù)雜的機(jī)制。理解這些機(jī)制，可以幫助我們更好地使用synchronized，寫(xiě)出更高效、更安全的并發(fā)程序。

總結(jié)與展望

1. 總結(jié)

• synchronized的重要性：小黑跟大家介紹了synchronized的基礎(chǔ)概念、使用場(chǎng)景、性能考量、進(jìn)階知識(shí)，以及實(shí)際案例分析。咱們看到了synchronized在確保線程安全方面的重要作用，尤其是在多線程環(huán)境下操作共享資源時(shí)。
• 性能和優(yōu)化：雖然synchronized可能導(dǎo)致性能問(wèn)題，但通過(guò)減少鎖的范圍、降低鎖的粒度，以及合理利用Java虛擬機(jī)的鎖優(yōu)化，咱們可以有效地減輕這些問(wèn)題。

2. 展望

• 并發(fā)編程的未來(lái)：隨著Java版本的更新，synchronized的性能持續(xù)提升。同時(shí)，Java并發(fā)編程還在不斷發(fā)展，例如Project Loom的引入將為并發(fā)編程帶來(lái)更輕量級(jí)的線程和更高效的性能。
• 新的并發(fā)工具：Java的并發(fā)工具箱也在不斷豐富，比如CompletableFuture、StampedLock等。這些新工具為高效的并發(fā)編程提供了更多的選擇。

3. 結(jié)語(yǔ)

作為Java程序員，了解和掌握synchronized是非常重要的。它不僅是實(shí)現(xiàn)線程安全的基本工具，也是理解Java并發(fā)編程的基石。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，咱們也要持續(xù)學(xué)習(xí)新的工具和技術(shù)，保持技術(shù)的前瞻性。

以上就是Java synchronized關(guān)鍵字性能考量及優(yōu)化探索的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java synchronized關(guān)鍵字的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！