解析Java并发编程中的synchronized关键字从实现机制到最佳实践

本文的核心主题是解析Java并发编程中的synchronized关键字从实现机制到最佳实践。

synchronized关键字概述

synchronized是Java语言中用于控制线程同步的关键字，它是一种内置的、基于监视器锁（Monitor）的互斥同步机制。其主要目的是确保多个线程在访问共享资源时，能够以串行化的方式执行，从而避免出现数据不一致等并发问题。它可以用来修饰方法（实例方法和静态方法）或作为同步代码块使用，为开发者提供了一种简单、便捷的线程同步方案。

底层实现机制：JVM与对象头

synchronized的同步机制是通过进入和退出监视器锁（Monitor）来实现的，但其具体实现细节则高度依赖于Java虚拟机（JVM）。在JVM层面，每个对象都与一个监视器锁关联，这个锁的状态信息被记录在Java对象的对象头（Object Header）中。

对象头中的Mark Word是实现synchronized的关键。它通常存储了对象的哈希码、分代年龄、锁标志位等信息。当对象被synchronized用作锁时，Mark Word会根据锁的状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）存储不同的内容。JVM会根据实际的竞争情况，采用“锁升级”策略来优化同步性能：首先尝试偏向锁，若出现竞争则升级为轻量级锁（自旋锁），若自旋一定次数后竞争依然激烈，最终会升级为重量级锁。重量级锁会导致竞争线程进入阻塞状态，依赖于操作系统内核的互斥量（Mutex Lock）来实现，涉及用户态到内核态的切换，开销相对较大。

锁的升级与优化过程

现代JVM为了减少获得锁和释放锁带来的性能开销，引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁的概念，并会根据竞争情况自动进行锁升级。

当一个线程首次访问同步块时，它会尝试使用偏向锁。偏向锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他线程尝试获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步操作。当有第二个线程尝试竞争锁时，偏向模式宣告结束。根据竞争激烈程度，锁可能会升级为轻量级锁。轻量级锁的线程会通过自旋（循环尝试获取锁）的方式等待，避免了用户态到内核态的切换，适用于同步块执行速度非常快的场景。但如果自旋等待时间过长或自旋线程数超过CPU核心数的一半，轻量级锁就会升级为重量级锁。重量级锁会将未能获取锁的线程放入等待队列，线程进入阻塞状态，等待操作系统的调度唤醒。

synchronized的三种应用方式

synchronized关键字主要有三种应用方式，它们的作用域和锁对象有所不同。

第一种是同步实例方法。它锁定的是调用该方法的当前实例对象（即`this`）。在同一时刻，只有一个线程能够执行该实例的同步方法。

第二种是同步静态方法。它锁定的是这个类的Class对象。由于Class对象在JVM中唯一，所以它会锁定该类的所有同步静态方法调用，作用于所有实例。

第三种是同步代码块。开发者可以显式指定一个对象作为锁（可以是任意对象），其同步范围更精确，粒度更细，有助于减小锁的竞争范围，提升并发能力。相比同步整个方法，同步代码块是更佳实践。

最佳实践与注意事项

为了高效且安全地使用synchronized，开发者应遵循一些最佳实践。

首先，应尽量减小同步代码块的范围。只对共享数据的实际读写操作进行同步，避免将无需同步的代码（如耗时的I/O操作、复杂计算）包含在同步块内，这样可以缩短线程持有锁的时间，提高并发吞吐量。

其次，明智地选择锁对象。对于同步代码块，应选择一个不可变的、私有的对象作为锁，通常使用`final`字段来声明，以防止锁对象的引用被意外修改，导致同步失效。避免使用字符串常量或基本类型的包装类等可能被JVM缓存的对象作为锁，这可能导致意想不到的锁竞争。

最后，警惕死锁。死锁是指两个或以上的线程互相持有对方所需的资源，导致它们都无法继续执行。预防死锁的策略包括：避免嵌套锁、按固定的全局顺序获取锁、使用尝试获取锁的机制（如`tryLock`）等。虽然synchronized本身不提供尝试获取锁或可中断的锁获取，但在复杂的锁交互场景中，程序员需要自行设计逻辑来避免死锁的发生。