Synchronized关键字

概述

synchronized是Java中用于实现线程同步的关键字，它能够确保同一时刻只有一个线程可以访问被同步的代码块或方法，从而解决多线程环境下的数据竞争问题。其核心功能包括：

• 原子性：保证操作的不可分割性。
• 可见性：确保线程对共享变量的修改对其他线程立即可见。
• 有序性：防止指令重排序导致的并发问题。

语法形式

`synchronized`可通过以下三种方式使用：

1. 同步实例方法

修饰非静态方法，锁对象是当前实例（`this`）。

public synchronized void increment() {
    // 线程安全的代码
}

2. 同步静态方法

修饰静态方法，锁对象是当前类的`Class`对象。

public static synchronized void staticIncrement() {
    // 线程安全的静态方法
}

3. 同步代码块

指定任意对象作为锁，灵活性更高。

public void blockSync() {
    synchronized (lockObject) {
        // 线程安全的代码块
    }
}

底层原理

`synchronized`通过JVM内置的监视器锁（Monitor）实现，其工作流程如下：

flowchart TD A[线程尝试获取锁] --> B{锁是否空闲?} B -->|是| C[获取锁并进入临界区] B -->|否| D[进入阻塞队列等待] C --> E[执行同步代码] E --> F[释放锁并唤醒等待线程]

• 在JDK 1.6后引入锁优化机制，包括：

 * 偏向锁（Biased Locking）
 * 轻量级锁（Lightweight Locking）
 * 自旋锁（Spin Locking）
 * 锁消除（Lock Elimination）

代码示例

计数器案例

以下示例展示未同步和同步的计数器区别：

class UnsafeCounter {
    private int count = 0;
    
    public void add() {
        count++; // 非原子操作
    }
}

class SafeCounter {
    private int count = 0;
    
    public synchronized void add() {
        count++; // 原子操作
    }
}

执行测试代码：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final SafeCounter safe = new SafeCounter();
    final UnsafeCounter unsafe = new UnsafeCounter();
    
    Runnable task = () -> {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            safe.add();
            unsafe.add();
        }
    };

    Thread t1 = new Thread(task);
    Thread t2 = new Thread(task);
    
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    
    System.out.println("SafeCounter: " + safe.getCount());   // 输出2000
    System.out.println("UnsafeCounter: " + unsafe.getCount()); // 可能小于2000
}

锁的存储结构

对象头中的Mark Word存储锁状态信息：

classDiagram class MarkWord { +hashcode: 25bit +age: 4bit +biased_lock: 1bit +lock: 2bit }

锁状态转换关系： $\text{无锁}\to \text{偏向锁}\to \text{轻量级锁}\to \text{重量级锁}$

实际应用场景

1. 单例模式实现

class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2. 线程安全集合包装

List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

注意事项

• 避免锁粒度过大（如直接同步整个方法）
• 防止死锁（按固定顺序获取多把锁）
• 优先使用`java.util.concurrent`包中的高级工具类

性能对比

不同同步方式性能比较（纳秒/操作）

同步方式	JDK 1.6	JDK 11
无同步	5	3
synchronized	20	15
ReentrantLock	18	12