Java并发编程深入剖析Synchronized关键字的工作原理与性能优化

Synchronized的基本概念与使用方式

Synchronized是Java中用于实现线程同步的关键字，它可以确保多个线程在访问共享资源时的互斥性。Synchronized可以用于修饰方法或代码块，其作用范围取决于修饰的对象。当修饰实例方法时，锁是当前实例对象；当修饰静态方法时，锁是当前类的Class对象；当修饰代码块时，锁是指定的对象。通过这种机制，Synchronized能够防止多个线程同时执行被保护的代码段，从而避免数据不一致的问题。

Synchronized的工作原理

监视器锁机制

Synchronized的实现基于Java对象头中的监视器锁（Monitor）。每个Java对象都有一个与之关联的监视器，线程在进入Synchronized保护的代码前需要获取该监视器的锁。如果锁已被其他线程持有，当前线程将进入阻塞状态，直到锁被释放。监视器锁的实现依赖于底层操作系统的互斥量（Mutex），这涉及到用户态和内核态之间的切换，因此早期Synchronized的性能开销较大。

对象头与锁状态

Java对象头包含Mark Word，用于存储对象的哈希码、分代年龄和锁标志位等信息。Synchronized的锁状态主要包括无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。这些状态会根据竞争情况动态升级，以适应不同的并发场景，从而优化性能。

锁的升级与优化

偏向锁

偏向锁适用于只有一个线程访问同步块的场景。当线程首次获取锁时，会在对象头中记录偏向线程ID，之后该线程再次获取锁时无需进行CAS操作，直接进入同步块。这减少了不必要的同步开销，但在有多线程竞争时，偏向锁会被撤销。

轻量级锁

当多个线程交替执行同步块时，偏向锁会升级为轻量级锁。线程通过CAS操作尝试获取锁，如果成功则进入同步块；如果失败，说明有其他线程竞争，此时会通过自旋尝试获取锁。若自旋一定次数后仍未成功，锁会升级为重量级锁。

重量级锁

重量级锁适用于高竞争场景。此时，未获取到锁的线程会被挂起，进入阻塞状态，等待锁释放后被唤醒。虽然这避免了CPU空转，但线程切换和调度开销较大，性能相对较低。

性能优化建议

减少锁的粒度

尽量缩小同步代码块的范围，只对必要的共享资源进行加锁，避免长时间持有锁。例如，可以使用局部变量或线程安全类来减少锁的竞争。

避免死锁

确保锁的获取顺序一致，避免多个线程以不同的顺序请求锁，从而预防死锁的发生。使用定时锁或尝试获取锁的机制（如tryLock）也可以降低死锁风险。

使用读写锁

对于读多写少的场景，可以考虑使用ReadWriteLock（如ReentrantReadWriteLock），允许多个线程同时读，但写操作独占锁，从而提高并发性能。

总结

Synchronized通过监视器锁机制和锁升级策略，在保证线程安全的同时，尽可能优化性能。开发者应根据实际场景合理使用Synchronized，并结合其他并发工具（如CAS、Lock等）来进一步提升程序效率。理解其底层原理有助于编写更高效且安全的并发代码。