Java多線程知識小結：Synchronized

在Java中，synchronized 關鍵字是實現線程同步的核心工具，用于保證同一時刻只有一個線程可以執行被修飾的代碼塊或方法。以下從基本原理、鎖升級過程、應用場景及優化建議四個維度詳細解析：

一、基本原理

1. 同步的對象

synchronized 鎖的是對象而非代碼：

  • 修飾實例方法：鎖的是當前實例對象（this）；
  • 修飾靜態方法：鎖的是類的Class對象（如MyClass.class）；
  • 修飾代碼塊：鎖的是括號中的對象（如synchronized(obj)）。
2. 底層實現
  • JVM層面：通過對象頭中的Mark Word和**Monitor（監視器）**實現。
    對象頭的Mark Word包含鎖狀態位（如偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖）和指向Monitor的指針。
  • 字節碼層面：
    • 同步方法：通過ACC_SYNCHRONIZED標志位標識；
    • 同步代碼塊：通過monitorenter和monitorexit指令實現。
3. 互斥鎖語義
  • 線程進入同步塊前需獲取Monitor的所有權（鎖），退出時釋放鎖；
  • 未獲取到鎖的線程會被阻塞，進入Monitor的等待隊列。

二、鎖升級的具體過程

JDK 6之后，synchronized 鎖機制進行了優化，引入鎖升級（偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖）以減少性能開銷。

1. 偏向鎖（Biased Locking）
  • 適用場景：單線程環境，無鎖競爭。
  • 原理：
    1. 首次線程訪問同步塊時，Mark Word存儲該線程ID（偏向狀態）；
    2. 后續該線程再次進入同步塊時，無需CAS操作，直接獲取鎖；
    3. 若其他線程嘗試競爭鎖，偏向鎖撤銷，升級為輕量級鎖。
  • 優點：無CAS操作，僅首次獲取鎖時有少量開銷。
  • 缺點：存在鎖撤銷（偏向鎖撤銷需STW），若存在多線程競爭，反而增加開銷。
2. 輕量級鎖（Lightweight Locking）
  • 適用場景：多線程交替執行同步塊（無實際競爭）。
  • 原理：
    1. 線程進入同步塊時，JVM在當前線程棧幀中創建鎖記錄（Lock Record）；
    2. 通過CAS將對象頭的Mark Word復制到鎖記錄，并將Mark Word指向鎖記錄地址；
    3. 若CAS成功，獲取輕量級鎖；若失敗，說明存在競爭，鎖膨脹為重量級鎖。
  • 優點：競爭不激烈時，避免線程阻塞，減少用戶態/內核態切換。
  • 缺點：競爭激烈時，頻繁CAS導致性能下降。
3. 重量級鎖（Heavyweight Lock）
  • 適用場景：多線程同時競爭鎖。
  • 原理：
    1. 鎖膨脹后，Mark Word指向操作系統的Monitor對象；
    2. 未獲取到鎖的線程被阻塞（進入內核態），放入Monitor的等待隊列；
    3. 鎖釋放時，喚醒等待隊列中的線程（需從內核態轉回用戶態）。
  • 缺點：線程阻塞/喚醒涉及用戶態與內核態切換，性能開銷大。
4. 鎖升級流程圖
無鎖狀態 → 偏向鎖（單線程） → 輕量級鎖（多線程交替） → 重量級鎖（多線程競爭）
5. 鎖升級的觸發條件
  • 偏向鎖撤銷：當其他線程嘗試訪問偏向鎖對象時，JVM在安全點（Safepoint）撤銷偏向鎖；
  • 輕量級鎖膨脹：線程嘗試CAS獲取輕量級鎖失敗時，鎖膨脹為重量級鎖；
  • 批量重偏向/撤銷：當一個類的對象頻繁發生偏向鎖撤銷時，JVM會對該類的對象批量重偏向或撤銷。

三、應用場景

1. 保護共享資源
  • 示例：多線程操作同一個計數器：
    public class Counter {private int count = 0;// 同步方法，鎖的是thispublic synchronized void increment() {count++;}
}
2. 實現原子操作
  • 示例：雙重檢查鎖定（DCL）實現單例模式：
    public class Singleton {private static volatile Singleton instance; // 必須用volatile禁止指令重排public static Singleton getInstance() {if (instance == null) { // 第一次檢查synchronized (Singleton.class) { // 鎖的是Class對象if (instance == null) { // 第二次檢查instance = new Singleton();}}}return instance;}
}
3. 保證復合操作的原子性
  • 示例：檢查再執行（Check-Then-Act）操作：
    public class Inventory {private Map<String, Integer> stock = new HashMap<>();// 復合操作：先檢查庫存，再扣減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. 線程間協作（wait/notify機制）
  • 示例：生產者-消費者模型：
    public class ProducerConsumer {private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final int CAPACITY = 10;// 生產者方法public synchronized void produce(int item) throws InterruptedException {while (queue.size() == CAPACITY) {wait(); // 等待隊列有空間}queue.add(item);notifyAll(); // 通知消費者有新元素}// 消費者方法public synchronized int consume() throws InterruptedException {while (queue.isEmpty()) {wait(); // 等待隊列有元素}int item = queue.poll();notifyAll(); // 通知生產者有空間return item;}
}

四、優化建議

1. 縮小同步塊范圍
  • 反例：
    public synchronized void process() {// 非關鍵代碼long startTime = System.currentTimeMillis();// 關鍵代碼（需要同步）synchronized (this) {// 操作共享資源}// 非關鍵代碼System.out.println("耗時：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
}
  • 正例：僅同步關鍵代碼：
    public void process() {long startTime = System.currentTimeMillis();// 僅同步關鍵代碼synchronized (this) {// 操作共享資源}System.out.println("耗時：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
}
2. 優先使用同步代碼塊而非同步方法
  • 同步方法默認鎖的是this，可能導致鎖范圍過大；
  • 同步代碼塊可精確控制鎖對象。
3. 使用細粒度鎖替代粗粒度鎖
  • 反例：
    public class Bank {private Map<String, Account> accounts = new HashMap<>();// 粗粒度鎖：整個方法同步public synchronized void transfer(String from, String to, double amount) {// 轉賬邏輯}
}
  • 正例：
    public class Bank {private Map<String, Account> accounts = new HashMap<>();// 細粒度鎖：僅鎖相關賬戶public void transfer(String from, String to, double amount) {Account fromAccount = accounts.get(from);Account toAccount = accounts.get(to);// 按順序加鎖，避免死鎖Account first = fromAccount.hashCode() < toAccount.hashCode() ? fromAccount : toAccount;Account second = first == fromAccount ? toAccount : fromAccount;synchronized (first) {synchronized (second) {// 轉賬邏輯}}}
}
4. 考慮替代方案
  • 原子類（如AtomicInteger）替代簡單計數器的synchronized；
  • 讀寫鎖（ReentrantReadWriteLock）替代讀多寫少場景的synchronized；
  • 并發容器（如ConcurrentHashMap）替代synchronized Map。

五、總結

synchronized 關鍵字的核心特點：

  • 優點：
    • 使用簡單，無需手動釋放鎖；
    • 鎖升級機制在不同場景下有較好的性能表現；
    • 支持線程間協作（wait/notify）。
  • 缺點：
    • 無法中斷正在等待鎖的線程；
    • 不支持超時獲取鎖；
    • 鎖粒度較粗（要么全鎖，要么全放）。

適用場景：

  • 簡單的同步需求（如保護共享資源、實現原子操作）；
  • 需配合wait/notify實現線程間協作。

在高并發場景下，若性能敏感，可考慮使用ReentrantLock、StampedLock等更靈活的鎖機制。

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